WO2022149334A1 - 受光装置および受信装置 - Google Patents

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WO2022149334A1
WO2022149334A1 PCT/JP2021/039349 JP2021039349W WO2022149334A1 WO 2022149334 A1 WO2022149334 A1 WO 2022149334A1 JP 2021039349 W JP2021039349 W JP 2021039349W WO 2022149334 A1 WO2022149334 A1 WO 2022149334A1
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light
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signal
receiving device
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紘也 高田
尚志 水本
藤男 奥村
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日本電気株式会社
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    • H01L31/02327—Optical elements or arrangements associated with the device the optical elements being integrated or being directly associated to the device, e.g. back reflectors
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    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/60—Receivers
    • H04B10/66—Non-coherent receivers, e.g. using direct detection
    • H04B10/67—Optical arrangements in the receiver

Definitions

  • the present disclosure relates to a light receiving device or the like that receives a spatial optical signal.
  • signal light propagating in space (hereinafter, also referred to as spatial optical signal) is transmitted and received without using a medium such as an optical fiber.
  • a condenser lens as large as possible is required.
  • a photodiode having a small capacitance is used for high-speed communication. Since such a photodiode has a very small light receiving surface, it is difficult for a condenser lens to collect spatial optical signals coming from various directions toward the light receiving surface.
  • Patent Document 1 discloses a light receiving element that converts incident light into surface plasmon and receives light.
  • the light receiving element of Patent Document 1 has a conductive thin film and a light receiving portion.
  • a bonding period structure for converting incident light into surface plasmons is formed on the surface of the conductive thin film.
  • openings are formed that penetrate the front and back surfaces of the conductive thin film.
  • the light receiving portion is arranged at the end of the surface opposite to the surface on which the coupling period structure of the opening is formed.
  • Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 disclose LiDAR (Light Detection And Ringing) and a communication device using a waveguide diffraction antenna (WGA: Waveguide Grating Antenna).
  • the WGA disclosed in Non-Patent Document 1-2 functions as an optical antenna exhibiting strong directivity and also functions as a light guide.
  • the light receiving element of Patent Document 1 can obtain high-speed responsiveness by receiving the incident light converted into surface plasmon in the coupling period structure at the light receiving portion through an opening having a small opening area.
  • the light receiving element of Patent Document 1 can be applied to optical wiring of a large-scale integrated circuit. However, it has been difficult for the light receiving element of Patent Document 1 to be large enough to be used for receiving a spatial optical signal.
  • An object of the present disclosure is to provide a light receiving device or the like capable of efficiently receiving a spatial optical signal.
  • the light receiving device of one aspect of the present disclosure is a substrate that transmits light in the wavelength band of the space light signal to be received, and is arranged on the first surface of the substrate to receive the space light signal and is a signal derived from the space light signal.
  • An optical antenna that guides light to the emission end along the in-plane direction of the substrate and emits signal light from the emission end toward the substrate, and directs the light receiving surface to the second surface facing the first surface of the substrate. It is provided with a light receiving element that is arranged and receives signal light emitted from an optical antenna on a light receiving surface.
  • the light receiving device of the present embodiment is used for optical space communication in which signal light propagating in space (hereinafter, also referred to as spatial optical signal) is transmitted and received.
  • the light receiving device of the present embodiment may be applied to applications other than optical space communication as long as it is used to receive light propagating in space.
  • the spatial optical signal is regarded as parallel light because it comes from a position sufficiently distant.
  • FIG. 1 is a plan view showing an example of the configuration of the light receiving device 10 of the present embodiment.
  • 2 and 3 are cross-sectional views of the light receiving device 10 cut along the AA cutting line of FIG.
  • the trajectories of the spatial optical signal incident on the light receiving device 10 and the light traveling inside the light receiving device 10 are conceptually shown by arrows.
  • the light receiving device 10 includes an optical antenna 11, a substrate 12, and a light receiving element 13. 1 to 3 show a light receiving device 10 including two sets of optical antennas 11.
  • the position of the light receiving element 13 arranged on the back surface (second surface) of the substrate 12 is shown by a dotted line.
  • the optical antenna 11 is formed on the surface of the substrate 12 (hereinafter, also referred to as the first surface).
  • the optical antenna 11 includes a plurality of waveguides 110. It is preferable that the plurality of waveguides 110 have the same length so that the phases of the light received by the light receiving element 13 are aligned.
  • the waveguide 110 includes a light receiving unit 111, a light guide path 112, and an emission end 113.
  • the light receiving portion 111 is formed on the side surface of the waveguide 110.
  • the light receiving unit 111 is directed to the out-of-plane direction of the first surface of the substrate 12.
  • the light receiving unit 111 receives light in the wavelength band of the spatial optical signal.
  • the light guide path 112 is formed inside the waveguide 110.
  • the light guide path 112 guides light derived from the spatial optical signal (also referred to as signal light) to the emission end 113 along the in-plane direction of the substrate 12.
  • the emission end 113 is formed on the side surface of the side surface close to one end of the waveguide 110, which is opposite to the light receiving portion 111.
  • the emission end 113 is arranged toward the first surface of the substrate 12.
  • the emission end 113 is arranged so as to face the light receiving surface of the light receiving element 13 with the substrate 12 interposed therebetween.
  • the light received by the light receiving unit 111 is guided toward the emission end 113 through the light guide path 112.
  • the light guided through the light guide path 112 is emitted from the emission end 113 toward the light receiving portion of the light receiving element 13.
  • the optical antenna 11 is realized by a waveguide diffraction antenna (WGA: Waveguide Grating Antenna) disclosed in Non-Patent Document 1-2 (Non-Patent Document 1: M. Raval, et.al., “Unidirectional waveguide”. grating antennas with uniform emission for optical phased arrays ”, Optics Letters, Vol.42, No.13, July 1 2017, pp.2563-2566., Non-Patent Document 2: C. Poulton, et. Al.,“ Long- Range LiDAR and Free-Space Data Communication With High-Performance Optical Phased Arrays ”, IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 25, NO. 5, SEPTEMBER / OCTOBER 2019.).
  • WGA Waveguide Grating Antenna
  • Non-Patent Document 1-2 discloses a WGA containing two silicon nitride layers inside a silicon oxide layer on a silicon substrate. The two silicon nitride layers are formed with a constant gap. Etched regions (perturbation regions) are periodically formed in the two silicon nitride layers. WGA is formed by patterning a perturbation region in two silicon nitride layers inside a waveguide. Four patterns (patterns 1 to 4) are formed inside the waveguide when viewed from the upper surface. In pattern 1, the unetched regions (full width regions) overlap each other. In pattern 2, the perturbation region and the full width region overlap. In pattern 3, the perturbation regions overlap each other.
  • Pattern 4 the full width region and the perturbation region overlap.
  • Pattern 2 and pattern 4 are substantially the same pattern. These patterns create displacements that generate constructive interference in one direction and destructive interference in the other, both perpendicular and horizontal to the horizontal plane of the silicon substrate. A unidirectional emitter with two scattering elements of quarter wavelength is realized.
  • the optical antenna 11 can be realized by WGA.
  • the optical antenna 11 may be configured so as to generate constructive interference in the directions orthogonal to each other between the inside of the light guide path 112 and the emission end 113.
  • the traveling direction of the light guided in the extending direction of the light guide path 112 can be changed to the direction of the light receiving surface of the light receiving element 13 at the emission end 113.
  • the shape of the substrate 12 is rectangular in a plan view.
  • a waveguide 110 is arranged on the first surface of the substrate 12.
  • the light receiving element 13 is arranged on the second surface facing the first surface of the substrate 12.
  • the substrate 12 transmits light in the wavelength band of the spatial optical signal.
  • the substrate 12 is a substrate made of silicon (Si).
  • the Si substrate 12 has a high transmittance of light in the infrared region. Therefore, when the wavelength band of the spatial optical signal is in the infrared region, the light emitted from the emission end 113 of the waveguide 110 passes through the substrate 12 and is received by the light receiving surface of the light receiving element 13.
  • the material of the substrate 12 may be selected according to the wavelength band of the spatial optical signal used for spatial optical communication. If the wavelength band of the spatial optical signal is visible light, a substrate 12 made of glass or plastic may be used.
  • the light receiving element 13 is arranged on the second surface of the substrate 12.
  • the light receiving element 13 is arranged near the center of the substrate 12.
  • the light receiving element 13 has a light receiving surface that receives light in the wavelength band of the spatial optical signal.
  • the light receiving element 13 is arranged via the substrate 12 so that its light receiving surface faces the emission end 113 of the waveguide 110. The light emitted from the emission end 113 of the waveguide 110 passes through the substrate 12 and is received by the light receiving surface of the light receiving element 13.
  • the light receiving element 13 receives light in the wavelength region of the spatial optical signal to be received.
  • the light receiving element 13 receives signal light in the infrared region.
  • the light receiving element 13 receives, for example, signal light having a wavelength in the 1.5 ⁇ m band.
  • the wavelength band of the signal light received by the light receiving element 13 is not limited to the 1.5 ⁇ m band.
  • the wavelength band of the signal light received by the light receiving element 13 can be arbitrarily set according to the wavelength of the spatial light signal.
  • the wavelength band of the signal light received by the light receiving element 13 may be set to, for example, a 0.8 ⁇ m band, a 1.55 ⁇ m band, or a 2.2 ⁇ m band.
  • the wavelength band of the signal light received by the light receiving element 13 may be, for example, a 0.8 to 1 ⁇ m band.
  • the shorter the wavelength band of the signal light the smaller the absorption by moisture in the atmosphere, which is advantageous for optical space communication during rainfall.
  • the light receiving element 13 may receive signal light in the visible region. Further, when the light receiving element 13 is saturated with intense sunlight, the signal light derived from the spatial optical signal cannot be read. Therefore, a color filter that selectively passes light in the wavelength band of the spatial optical signal may be installed in front of the light receiving element 13.
  • the light receiving element 13 converts the received signal light into an electric signal.
  • the light receiving element 13 outputs the converted electrical signal to a decoder (not shown).
  • the light receiving element 13 can be realized by an element such as a photodiode or a phototransistor.
  • the light receiving element 13 is realized by an avalanche photodiode.
  • the light receiving element 13 realized by the avalanche photodiode can support high-speed communication.
  • the light receiving element 13 may be realized by an element other than a photodiode, a phototransistor, or an avalanche photodiode as long as the signal light can be converted into an electric signal.
  • the light receiving surface of the light receiving element 13 is preferably as small as possible in order to improve the communication speed.
  • the light receiving surface of the light receiving element 13 has a light receiving surface having a diameter of about 0.1 to 0.3 mm (millimeter).
  • the light collected by the condenser lens or the like is condensed within a certain range depending on the arrival direction of the spatial optical signal, it is difficult to concentrate the light in the region where the light receiving surface of the light receiving element 13 is arranged.
  • an optical antenna 11 that functions as an optical antenna exhibiting strong directivity and also functions as a light guide is used.
  • the optical antenna 11 guides light derived from spatial optical signals arriving from various directions to the light receiving surface of the light receiving element 13.
  • the light derived from the spatial optical signal received by the light receiving unit 111 of the optical antenna 11 is emitted from the emission end 113 facing the light receiving surface of the light receiving element 13 via the light guide path 112. Therefore, the light receiving device 10 can efficiently guide the spatial optical signal arriving from an arbitrary direction to the light receiving surface of the light receiving element 13.
  • FIG. 4 is a plan view showing an example of the configuration of the light receiving device 10-1 of the modified example 1.
  • the shape of the substrate 12 is rectangular in a plan view.
  • the light receiving device 10-1 includes one light receiving element 13.
  • the light receiving element 13 is arranged at a position indicated by a dotted circle at the right end of the second surface of the substrate 12.
  • the light receiving device 10-1 includes a set of optical antennas 11.
  • the exit ends of the plurality of waveguides 110 constituting the optical antenna 11 are arranged at positions close to the right end of the substrate 12 so as to face the light receiving surface of the light receiving element 13.
  • the light receiving surface of the light receiving element 13 is arranged so as to face the emission ends of the plurality of waveguides 110 constituting the optical antenna 11 with the substrate 12 interposed therebetween.
  • the light received by the optical antenna 11 can be guided to the light receiving surface of the single light receiving element 13, similarly to the light receiving device 10 of FIGS. 1 to 3.
  • FIG. 5 is a plan view showing an example of the configuration of the light receiving device 10-2 of the modified example 2.
  • the shape of the substrate 12 is rectangular in a plan view.
  • the light receiving device 10-2 includes two light receiving elements 13 (light receiving elements 13-1 to 2).
  • the light receiving element 13-1 is arranged at a position indicated by a dotted circle at the left end of the second surface of the substrate 12.
  • the light receiving element 13-2 is arranged at a position indicated by a dotted circle at the right end of the second surface of the substrate 12.
  • the light receiving device 10-2 includes two sets of optical antennas 11 (optical antennas 11-1 to 2).
  • the optical antenna 11-1 is arranged so that the emission ends of the plurality of waveguides 110 face the light receiving surface of the light receiving element 13-1.
  • the optical antenna 11-2 is arranged so that the emission ends of the plurality of waveguides 110 face the light receiving surface of the light receiving element 13-2.
  • the light receiving surface of the light receiving element 13-1 is arranged so as to face the emission ends of the plurality of waveguides 110 constituting the optical antenna 11-1 with the substrate 12 interposed therebetween.
  • the light receiving surface of the light receiving element 13-2 is arranged so as to face the emission ends of the plurality of waveguides 110 constituting the optical antenna 11-2 with the substrate 12 interposed therebetween.
  • the light received by each of the two sets of optical antennas 11 formed on the first surface of the substrate 12 can be guided to the light receiving surfaces of different light receiving elements 13.
  • FIG. 6 is a plan view showing an example of the configuration of the light receiving device 10-3 of the modified example 3.
  • the shape of the substrate 12 is rectangular in a plan view.
  • the light receiving device 10-3 includes three light receiving elements 13 (light receiving elements 13-1 to 3).
  • the light receiving element 13-1 is arranged at a position indicated by a dotted circle at the left end of the second surface of the substrate 12.
  • the light receiving element 13-2 is arranged at a position indicated by a dotted circle in the center of the second surface of the substrate 12.
  • the light receiving element 13-3 is arranged at a position indicated by a dotted circle at the right end of the second surface of the substrate 12.
  • the light receiving device 10-3 includes four sets of optical antennas 11 (optical antennas 11-1 to 4).
  • the optical antennas 11-1 to 11-4 are arranged so that the extending direction of their waveguides is oblique with respect to the longitudinal direction of the substrate 12.
  • the optical antenna 11-1 is arranged so that the emission ends of the plurality of waveguides 110 face the light receiving surface of the light receiving element 13-1.
  • the optical antenna 11-2 is arranged so that the emission ends of the plurality of waveguides 110 face the light receiving surface of the light receiving element 13-2.
  • the optical antenna 11-3 is arranged so that the emission ends of the plurality of waveguides 110 face the light receiving surface of the light receiving element 13-2.
  • the optical antenna 11-4 is arranged so that the emission ends of the plurality of waveguides 110 face the light receiving surface of the light receiving element 13-3.
  • the light receiving surface of the light receiving element 13-1 is arranged so as to face the emission ends of the plurality of waveguides 110 constituting the optical antenna 11-1 with the substrate 12 interposed therebetween.
  • the light receiving surface of the light receiving element 13-2 is arranged so as to face the emission end of a plurality of waveguides 110 constituting the optical antennas 11-2 to 3 with the substrate 12 interposed therebetween.
  • the light receiving surface of the light receiving element 13-3 is arranged so as to face the emission ends of the plurality of waveguides 110 constituting the optical antenna 11-4 with the substrate 12 interposed therebetween.
  • the light received by each of the plurality of optical antennas 11 formed on the first surface of the substrate 12 can be guided to any of the light receiving surfaces of the plurality of light receiving elements 13.
  • FIG. 7 is a plan view showing an example of the configuration of the light receiving device 10-4 of the modified example 4.
  • the shape of the substrate 12 is a triangle in a plan view.
  • the light receiving device 10-4 includes one light receiving element 13.
  • the light receiving element 13 is arranged at a position indicated by a dotted circle including the center of gravity of the triangular substrate 12.
  • the light receiving device 10-4 includes three sets of optical antennas 11 (optical antennas 11-1 to 3).
  • the optical antennas 11-1 to 3 are arranged so that the emission ends of the plurality of waveguides 110 face the light receiving surface of the light receiving element 13.
  • the ends of the optical antennas 11-1 to 11-3 opposite to the exit ends of the plurality of waveguides 110 are arranged toward any apex of the triangular substrate 12.
  • the light receiving surface of the light receiving element 13 is arranged so as to face the emission ends of the plurality of waveguides 110 constituting the optical antennas 11-1 to 3 with the substrate 12 interposed therebetween.
  • the light received by each of the three sets of optical antennas 11 formed on the first surface of the triangular substrate 12 can be guided to the light receiving surface of a single light receiving element 13.
  • FIG. 8 is a plan view showing an example of the configuration of the light receiving device 10-5 of the modified example 5.
  • the shape of the substrate 12 is a triangle in a plan view.
  • the light receiving device 10-5 includes three light receiving elements 13 (13-1 to 3). Each of the light receiving elements 13-1 to 13-3 is arranged at a position indicated by a dotted circle in the vicinity of the apex of the triangular substrate 12.
  • the light receiving device 10-5 includes three sets of optical antennas 11 (optical antennas 11-1 to 3).
  • the stretching direction of the waveguide 110 is parallel to the right side of the triangular substrate 12, and the emission ends of the plurality of waveguides 110 face the light receiving surface of the light receiving element 13-1.
  • the extending direction of the waveguide 110 is parallel to the lower side of the triangular substrate 12, and the emission ends of the plurality of waveguides 110 face the light receiving surface of the light receiving element 13-2. Is placed in.
  • the extending direction of the waveguide 110 is parallel to the left side of the triangular substrate 12, and the emission ends of the plurality of waveguides 110 face the light receiving surface of the light receiving element 13-3. Be placed.
  • the light receiving surface of the light receiving element 13-1 is arranged so as to face the emission ends of the plurality of waveguides 110 constituting the optical antenna 11-1 with the substrate 12 interposed therebetween.
  • the light receiving surface of the light receiving element 13-2 is arranged so as to face the emission ends of the plurality of waveguides 110 constituting the optical antenna 11-2 with the substrate 12 interposed therebetween.
  • the light receiving surface of the light receiving element 13-3 is arranged so as to face the emission ends of the plurality of waveguides 110 constituting the optical antenna 11-3 with the substrate 12 interposed therebetween.
  • the light received by each of the three sets of optical antennas 11 formed on the first surface of the triangular substrate 12 can be guided to the light receiving surfaces of different light receiving elements 13.
  • FIG. 9 is a plan view showing an example of the configuration of the light receiving device 10-6 of the modified example 6.
  • the shape of the substrate 12 is circular in a plan view.
  • the light receiving device 10-6 includes one light receiving element 13.
  • the light receiving element 13 is arranged at a position indicated by a dotted circle including the center of the circular substrate 12.
  • the light receiving device 10-6 includes an optical antenna (reference numeral is omitted) composed of a plurality of waveguides 110 extending radially from the vicinity of the center of the circular substrate 12.
  • the emission ends of the plurality of waveguides 110 constituting the optical antenna are arranged so as to face the light receiving surface of the light receiving element 13 located near the center of the circular substrate.
  • the ends of the plurality of waveguides 110 opposite to the exit ends are arranged in the radial direction of the circular substrate 12.
  • the light receiving surface of the light receiving element 13 is arranged so as to face the emission ends of the plurality of waveguides 110 constituting the optical antenna with the substrate 12 interposed therebetween.
  • the light received by the optical antenna composed of a plurality of waveguides 110 radially formed on the first surface of the circular substrate 12 is transferred to the light receiving surface of a single light receiving element 13. Can guide light.
  • FIG. 10 is a plan view showing an example of the configuration of the light receiving device 10-7 of the modified example 7.
  • the shape of the substrate 12 is circular in a plan view.
  • the light receiving device 10-7 includes one light receiving element 13.
  • the light receiving element 13 is arranged at a position indicated by a dotted circle including the center of the circular substrate 12.
  • the light receiving device 10-7 includes a plurality of optical antennas 11 composed of a plurality of waveguides 110 extending radially from the vicinity of the center of the circular substrate 12.
  • the emission ends of the plurality of waveguides 110 constituting each of the plurality of optical antennas 11 are arranged so as to face the light receiving surface of the light receiving element 13.
  • the ends of the plurality of waveguides 110 constituting the optical antenna 11 opposite to the emission ends are arranged in the radial direction of the circular substrate 12.
  • the light receiving surface of the light receiving element 13 is arranged so as to face the emission ends of the plurality of waveguides 110 constituting the optical antenna 11 with the substrate 12 interposed therebetween.
  • the light received by the optical antenna 11 composed of a plurality of waveguides 110 radially formed on the first surface of the circular substrate 12 is received by the light receiving surface of a single light receiving element 13. Can guide light.
  • FIG. 11 is a plan view showing an example of the configuration of the light receiving device 10-8 of the modified example 8.
  • the shape of the substrate 12 is circular in a plan view.
  • the light receiving device 10-8 includes a plurality of light receiving elements 13.
  • the plurality of light receiving elements 13 are arranged at positions indicated by a dotted circle including the center of the circular substrate 12 or a dotted circle near the circumference.
  • the light receiving device 10-8 includes a plurality of optical antennas 11 composed of a plurality of waveguides 110 extending radially from the vicinity of the center of the circular substrate 12.
  • the exit ends of the plurality of waveguides 110 constituting each of the plurality of optical antennas 11 are arranged so as to face one of the light receiving surfaces of the plurality of light receiving elements 13.
  • the ends of the optical antenna 11 opposite to the exit ends of the plurality of waveguides 110 are arranged toward the circumference or the center of the circular substrate 12.
  • the light receiving surface of the light receiving element 13 is arranged so as to face the emission ends of the plurality of waveguides 110 constituting the optical antenna 11 with the substrate 12 interposed therebetween.
  • the light received by the optical antenna 11 composed of a plurality of waveguides 110 radially formed on the first surface of the circular substrate 12 is transferred to the light receiving surfaces of the plurality of light receiving elements 13. Can guide light.
  • the light receiving device of the present embodiment includes an optical antenna, a substrate, and a light receiving element.
  • the optical antenna is formed on the first surface of the substrate.
  • the optical antenna receives a spatial optical signal.
  • the optical antenna guides the signal light derived from the spatial optical signal to the emission end along the in-plane direction of the substrate.
  • the optical antenna emits signal light from the emission end toward the substrate.
  • the substrate transmits light in the wavelength band of the spatial optical signal to be received.
  • the light receiving element is arranged with the light receiving surface facing the second surface facing the first surface of the substrate. The light receiving element receives the signal light emitted from the optical antenna on the light receiving surface.
  • an optical antenna has a light receiving portion that receives a space light signal, a light guide path through which signal light derived from the space light signal is guided, and an emission end from which signal light guided through the light guide path is emitted. It is composed of multiple waveguides including. The emission ends of the plurality of waveguides are arranged so as to face the light receiving surface of the light receiving element with the substrate interposed therebetween.
  • the optical antenna is a waveguide diffractive antenna.
  • the light receiving device of the present embodiment efficiently guides signal light derived from a spatial optical signal to a light receiving element having a light receiving portion having a small opening area capable of obtaining high-speed response. Therefore, according to the light receiving device of the present embodiment, the spatial optical signal can be efficiently received.
  • the light receiving device of one aspect of the present embodiment includes a plurality of optical antennas on the first surface of the substrate, the emission end of which is arranged with the substrate sandwiched between the light receiving devices and the light receiving surface of the light receiving element.
  • the light receiving area of the spatial optical signal can be increased by configuring the light receiving device with a plurality of optical antennas. Therefore, according to the light receiving device of this embodiment, the spatial optical signal can be received more efficiently.
  • the light receiving device of the present embodiment is different from the light receiving device of the first embodiment in that a trench is formed at a position where the light receiving element is arranged on the second surface of the substrate.
  • FIG. 12 is a plan view showing an example of the configuration of the light receiving device 20 of the present embodiment.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of the light receiving device 20 cut along the BB cutting line of FIG.
  • the light receiving device 20 includes an optical antenna 21, a substrate 22, and a light receiving element 23.
  • 12 to 13 show a light receiving device 20 including two sets of optical antennas 21.
  • the position of the trench 220 formed on the substrate 22 and the position of the light receiving element 23 arranged in the portion of the trench 220 on the back surface (second surface) side of the substrate 22 are shown by dotted lines.
  • the optical antenna 21 is formed on the first surface of the substrate 22.
  • the optical antenna 21 includes a plurality of waveguides 210. Since the optical antenna 21 has the same configuration as the optical antenna 11 of the first embodiment, detailed description thereof will be omitted.
  • the shape of the substrate 22 is rectangular in a plan view.
  • a waveguide 210 is arranged on the first surface of the substrate 22.
  • a trench 220 is formed near the center of the second surface facing the first surface of the substrate 22.
  • the trench 220 can be formed by excavating the second surface of the substrate 22.
  • the light receiving element 23 is arranged in the portion of the trench 220 on the second surface facing the first surface of the substrate 22.
  • the material of the substrate 22 is the same as that of the substrate 12 of the first embodiment.
  • the light receiving element 23 is arranged in the portion of the trench 220 formed on the side of the second surface of the substrate 22.
  • the light receiving element 23 has a light receiving surface that receives light in the wavelength band of the spatial optical signal.
  • the light receiving element 23 is arranged so that the light receiving surface thereof faces the emission end of the waveguide 210 via the portion of the trench 220 of the substrate 22.
  • the light emitted from the exit end of the waveguide 210 passes through the portion of the trench 220 of the substrate 22 and is received by the light receiving surface of the light receiving element 23.
  • the light receiving element 23 has the same configuration as the light receiving element 13 of the first embodiment.
  • the light receiving device of the present embodiment includes an optical antenna, a substrate, and a light receiving element.
  • the optical antenna is formed on the first surface of the substrate.
  • the optical antenna receives a spatial optical signal.
  • the optical antenna guides the signal light derived from the spatial optical signal to the emission end along the in-plane direction of the substrate.
  • the optical antenna emits signal light from the emission end toward the substrate.
  • the substrate transmits light in the wavelength band of the spatial optical signal to be received.
  • a trench is formed on the second surface of the substrate.
  • the light receiving element is arranged at the position of the trench with the light receiving surface facing the second surface facing the first surface of the substrate. The light receiving element receives the signal light emitted from the optical antenna on the light receiving surface.
  • the thickness of the substrate through which the light emitted from the emission end of the optical antenna passes becomes thin, so that the light is attenuated when passing through the substrate. The amount is reduced. Therefore, according to the light receiving device of the present embodiment, the light receiving efficiency of the light receiving element can be improved as compared with the first embodiment.
  • the light receiving device of the present embodiment is first in that a reflecting mirror is arranged at an end (also referred to as an opposite end) opposite to the exit end of a plurality of waveguides constituting the optical antenna. It is different from the light receiving device of the embodiment.
  • the light receiving device of the present embodiment may be combined with the light receiving device of the second embodiment.
  • FIG. 14 is a plan view showing an example of the configuration of the light receiving device 30 of the present embodiment.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view of the light receiving device 30 cut along the CC cutting line of FIG.
  • the light receiving device 30 includes an optical antenna 31, a substrate 32, a light receiving element 33, and a reflecting mirror 34.
  • 14 to 15 show a light receiving device 30 including two sets of optical antennas 31.
  • the position of the light receiving element 33 arranged at the position of the back surface (second surface) of the substrate 32 is shown by a dotted line.
  • the optical antenna 31 is formed on the first surface of the substrate 32.
  • the optical antenna 31 includes a plurality of waveguides 310. Since the optical antenna 31 has the same configuration as the optical antenna 11 of the first embodiment, detailed description thereof will be omitted.
  • the shape of the substrate 32 is rectangular in a plan view.
  • a waveguide 310 is arranged on the first surface of the substrate 32.
  • the light receiving element 33 is arranged on the second surface facing the first surface of the substrate 32.
  • the material of the substrate 32 is the same as that of the substrate 12 of the first embodiment.
  • the light receiving element 33 is arranged on the second surface of the substrate 32.
  • the light receiving element 33 is arranged near the center of the substrate 32.
  • the light receiving element 33 has a light receiving surface that receives light in the wavelength band of the spatial optical signal.
  • the light receiving element 33 is arranged via the substrate 32 so that its light receiving surface faces the emission end of the waveguide 310.
  • the light emitted from the emission end of the waveguide 310 passes through the substrate 32 and is received by the light receiving surface of the light receiving element 33.
  • the light receiving element 33 has the same configuration as the light receiving element 13 of the first embodiment.
  • the reflector 34 is arranged on the first surface of the substrate 32.
  • the reflecting mirror 34 has a reflecting surface that reflects light in the wavelength band of the spatial optical signal.
  • the reflector 34 is arranged near both the left and right ends of the substrate 32.
  • the reflecting mirror 34 is arranged so that the reflecting surface is perpendicular to the central axis of the plurality of waveguides 310 constituting the optical antenna 31.
  • the opposite end of the waveguide 310 faces the reflective surface of the reflector 34.
  • the light that reaches the reflecting surface of the reflecting mirror 34 from the opposite end of the waveguide 310 is reflected by the reflecting surface and travels toward the exit end through the light guide path inside the waveguide 310.
  • the light receiving device of the present embodiment includes an optical antenna, a reflecting mirror, a substrate, and a light receiving element.
  • the optical antenna is formed on the first surface of the substrate.
  • the optical antenna receives a spatial optical signal.
  • the optical antenna guides the signal light derived from the spatial optical signal to the emission end along the in-plane direction of the substrate.
  • the optical antenna emits signal light from the emission end toward the substrate.
  • the reflector is arranged at the end opposite to the emission end of the optical antenna, and reflects the signal light toward the emission end.
  • the substrate transmits light in the wavelength band of the spatial optical signal to be received.
  • the light receiving element is arranged with the light receiving surface facing the second surface facing the first surface of the substrate. The light receiving element receives the signal light emitted from the optical antenna on the light receiving surface.
  • the reflecting mirror arranged at the end opposite to the emitting end of the optical antenna reflects the signal light toward the emitting end, so as compared with the first embodiment.
  • the light receiving efficiency of the light receiving element can be improved.
  • the first embodiment of the light receiving device of the present embodiment is that a light pipe for guiding light toward the light receiving surface of the light receiving element is arranged between the second surface of the substrate and the light receiving surface of the light receiving element. It is different from the light receiving device of the form.
  • the light receiving device of the present embodiment may be combined with the light receiving device of the second to third embodiments.
  • FIG. 16 is a plan view showing an example of the configuration of the light receiving device 40 of the present embodiment.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view of the light receiving device 40 cut along the DD cutting line of FIG.
  • the light receiving device 40 includes an optical antenna 41, a substrate 42, a light receiving element 43, and a light pipe 45.
  • 16 to 17 show a light receiving device 40 including two sets of optical antennas 41.
  • the positions of the light receiving element 43 and the light pipe 45 arranged on the back surface (second surface) of the substrate 42 are shown by dotted lines.
  • the optical antenna 41 is formed on the first surface of the substrate 42.
  • the optical antenna 41 includes a plurality of waveguides 410.
  • the exit ends of the plurality of waveguides 410 are arranged so as to face the incident surface of the light pipe 45 arranged on the second surface via the substrate 42. Since the optical antenna 41 has the same configuration as the optical antenna 11 of the first embodiment, detailed description thereof will be omitted.
  • the number of the plurality of waveguides 410 constituting the optical antenna 41 may be associated with the incident surface of the light pipe 45, which is larger than the area of the light receiving surface of the light receiving element 43. Therefore, the optical antenna 41 of the present embodiment can have a larger number of waveguides 410 than the optical antenna 11 of the first embodiment.
  • the shape of the substrate 42 is rectangular in a plan view.
  • a waveguide 410 is arranged on the first surface of the substrate 42.
  • a light pipe 45 is arranged near the center of the second surface facing the first surface of the substrate 42.
  • the material of the substrate 42 is the same as that of the substrate 12 of the first embodiment.
  • the light pipe 45 is arranged in association with the light receiving element 43.
  • the light pipe 45 has an incident surface directed to the substrate 42 and an emitted surface directed to the light receiving surface of the light receiving element 43.
  • the exit surface has a smaller area than the entrance surface.
  • the incident surface of the light pipe 45 is arranged so as to be in contact with the substrate 42. Light emitted from the exit ends of the plurality of waveguides 410 is incident on the incident surface of the light pipe 45. If the light emitted from the exit ends of the plurality of waveguides 410 is incident on the incident surface of the light pipe 45, the incident surface of the light pipe 45 and the substrate 42 do not have to be in contact with each other.
  • FIG. 17 shows an example in which the entrance surface and the emission surface of the light pipe 45 are parallel to each other, but the entrance surface and the emission surface may be non-parallel as long as the light can be guided from the entrance surface to the emission surface. ..
  • the light pipe 45 is preferably made of a material that easily transmits light in the wavelength band of spatial light.
  • the light pipe 45 can be made of a general optical fiber material.
  • a reflective surface that reflects light in the wavelength band of the signal light is formed toward the inside of the light pipe 45.
  • the signal light incident from the incident surface of the light pipe 45 is guided to the exit surface while being reflected by the side surface of the light pipe 45.
  • the signal light guided to the emission surface is emitted from the emission surface. Most of the signal light guided inside the light pipe may be emitted from the exit surface, and a part of the signal light may leak from the side surface.
  • the inside of the light pipe 45 may be hollow.
  • the inner surface of the light pipe 45 reflects light in the wavelength band of the signal light.
  • a reflector that reflects light in the wavelength band of the signal light may be installed on the inner surface of the light pipe 45.
  • the main body of the light pipe 45 may be made of a material that transmits light in the wavelength band of the signal light, and a reflector that reflects the signal light may be installed on the side surface of the light pipe 45.
  • the light reflected inside the light pipe 45 is emitted from the emitting surface and is received by the light receiving surface of the light receiving element 43. If the light pipe 45 is hollow, the signal light is not attenuated inside the light pipe 45, so that the intensity of the light reaching the light receiving surface of the light receiving element 43 is higher than that when the inside is not hollow.
  • the light receiving element 43 has a light receiving surface that receives light in the wavelength band of the spatial optical signal.
  • the light receiving element 43 is arranged so that the light receiving surface faces the emission surface of the light pipe 45.
  • the light receiving element 43 is arranged via the light pipe 45 so that its light receiving surface faces the emission end of the waveguide 410.
  • the light emitted from the exit end of the waveguide 410 is received by the light receiving surface of the light receiving element 43 via the light pipe 45.
  • the light receiving element 43 has the same configuration as the light receiving element 13 of the first embodiment.
  • the light receiving device of the present embodiment includes an optical antenna, a substrate, a light pipe, and a light receiving element.
  • the optical antenna is formed on the first surface of the substrate.
  • the optical antenna receives a spatial optical signal.
  • the optical antenna guides the signal light derived from the spatial optical signal to the emission end along the in-plane direction of the substrate.
  • the optical antenna emits signal light from the emission end toward the substrate.
  • the substrate transmits light in the wavelength band of the spatial optical signal to be received.
  • the light pipe is arranged between the second surface of the substrate and the light receiving surface of the light receiving element.
  • the light pipe guides the signal light emitted from the emission end of the optical antenna to the light receiving surface of the light receiving element.
  • the light receiving element is arranged so that the light receiving surface faces the emission surface of the light pipe.
  • the light receiving element receives the signal light emitted from the optical antenna on the light receiving surface.
  • the light receiving device of the present embodiment guides the light emitted from the emitting ends of the plurality of waveguides constituting the optical antenna to the light receiving surface of the light receiving element by the light pipe. Therefore, according to the light receiving device of the present embodiment, the signal light can be received by a light receiving element having a light receiving portion having a small opening area showing high-speed response. Further, according to the light receiving device of the present embodiment, a larger amount of light can be guided to the light receiving surface of the light receiving element as compared with the first embodiment. Further, in the light receiving device of the present embodiment, the number of a plurality of waveguides constituting the optical antenna can be set in association with the incident surface of the light pipe having a larger area than the light receiving surface of the light receiving element. Therefore, according to the light receiving device of the present embodiment, the number of waveguides associated with one light receiving element can be increased as compared with the first embodiment, so that the spatial optical signal can be received more efficiently. ..
  • the light receiving device of the present embodiment is different from the light receiving device of the first embodiment in that a phase shifter for aligning the phases of the light passing through the plurality of waveguides constituting the optical antenna is arranged.
  • the light receiving device of the present embodiment may be combined with the light receiving device of the second to fourth embodiments.
  • FIG. 18 is a plan view showing an example of the configuration of the light receiving device 50 of the present embodiment.
  • FIG. 19 is a cross-sectional view of the light receiving device 50 cut along the EE cutting line of FIG.
  • the light receiving device 50 includes an optical antenna 51, a substrate 52, a light receiving element 53, a phase shifter 56, and a waveguide 57.
  • the optical antenna 51, the phase shifter 56, and the waveguide 57 constitute a light receiving unit.
  • the light receiving device 50 of FIG. 18 includes six sets of light receiving units. In FIG. 18, the position of the light receiving element 53 arranged at the position of the back surface (second surface) of the substrate 52 is shown by a dotted line.
  • the optical antenna 51 is formed on the first surface of the substrate 52.
  • the optical antenna 51 includes a plurality of waveguides 510.
  • the lengths of the plurality of waveguides 510 constituting the same light receiving unit are the same.
  • the plurality of waveguides 510 are arranged radially along the radial direction with the emission end facing the center of the circular substrate 52.
  • the exit ends of the plurality of waveguides 510 are connected to the input ends of the phase shifter 56.
  • the light emitted from the exit ends of the plurality of waveguides 510 is input to the phase shifter 56.
  • the optical antenna 51 has the same configuration as the optical antenna 11 of the first embodiment.
  • the shape of the substrate 52 is circular in a plan view.
  • Six sets of light receiving units including an optical antenna 51, a phase shifter 56, and a waveguide 57 are arranged on the first surface of the substrate 52.
  • the light receiving element 53 is arranged on the second surface facing the first surface of the substrate 52.
  • the material of the substrate 52 is the same as that of the substrate 12 of the first embodiment.
  • the light receiving element 53 is arranged on the second surface of the substrate 52.
  • the light receiving element 53 is arranged in the center of the circular substrate 52.
  • the light receiving element 53 has a light receiving surface that receives light in the wavelength band of the spatial optical signal.
  • the light receiving element 53 is arranged via the substrate 52 so that its light receiving surface faces the emission end of the waveguide 57. The light emitted from the exit end of the waveguide 57 passes through the substrate 52 and is received by the light receiving surface of the light receiving element 53.
  • the light receiving element 53 has the same configuration as the light receiving element 13 of the first embodiment.
  • the phase shifter 56 is associated with each of the plurality of optical antennas 51 and is arranged on the first surface of the substrate 52.
  • the output ends of the plurality of waveguides 510 are connected to the input ends of the phase shifter 56.
  • the input end of the waveguide 57 is connected to the output end of the phase shifter.
  • the phase shifter 56 adjusts the phase of the signal light so that the phase of the signal light received by the plurality of waveguides 510 constituting the optical antenna 51 is the same in the light receiving portion of the light receiving element 53. That is, the phase shifter 56 corrects the phase shift of the spatial light signal received by the optical antenna, and the phase of the signal light derived from the spatial optical signal is aligned at the position of the light receiving portion of the light receiving element 53. Adjust the phase of the light.
  • the phase shifter 56 is realized by an active type phase shifter that adjusts the phase of the signal light according to the control of a control unit (not shown). If an active phase shifter is used, the phase when the signal light is input to the light receiving portion of the light receiving element 53 can be aligned, and the phase shift of the spatial optical signal received by the optical antenna 51 can be corrected. If an active phase shifter is used, the phase of the signal light derived from the spatial optical signal received by the optical antenna 51 is aligned at the timing of being received by the light receiving portion of the light receiving element 53, so that the light arrives from any direction. Can receive spatial optical signals.
  • the phase shifter 56 can be realized by a passive type phase shifter in which the phase shift amount is set in advance.
  • the light that has passed through the passive phase shifter 56 is out of phase by a preset shift amount.
  • the phase shifter 56 adjusts the phase of the signal light by changing the refractive index of the input light.
  • the phase shifter 56 is realized by a thermo-optical type using a thermo-optical effect or a carrier-injecting type phase shifter using a carrier injection effect.
  • each of the plurality of phase shifters 56 has the same phase of light incident on the optical antennas 51 of the six sets of light receiving units when the light is received on the light receiving surface of the light receiving element 53.
  • the phase shift amount is adjusted.
  • the phase shift amount of the phase shifter 56 is adjusted according to the arrival direction of the spatial optical signal to be received, the length of the plurality of waveguides 510, and the length of the waveguide 57.
  • the waveguide 57 is associated with each of the plurality of phase shifters 56 and is formed on the first surface of the substrate 52.
  • the lengths of the waveguides 57 included in the light receiving device 50 are all the same.
  • the output end of the phase shifter 56 is connected to the input end of the waveguide 57.
  • the emission end of the waveguide 57 is arranged so as to face the light receiving surface of the light receiving element 53 with the substrate 52 interposed therebetween.
  • the emission end of the waveguide 57 has a shape cut diagonally toward the light receiving surface of the light receiving element 53.
  • the shape of the emission end of the waveguide 57 is not limited as long as it can emit light toward the light receiving surface of the light receiving element 53.
  • the light incident from the input end of the waveguide 57 travels inside the waveguide 57 and is emitted from the exit end.
  • the material of the waveguide 57 is not particularly limited as long as the light transmittance in the wavelength band of the spatial optical signal is high.
  • the waveguide 57 is formed on the first surface of the substrate 52 using the technique of silicon photonics.
  • FIG. 20 is a conceptual diagram showing an example of the trajectory of the spatial optical signal when the arrival direction of the spatial optical signal to be received is one direction.
  • the phase shifter 56 can be realized by an active type or passive type phase shifter.
  • FIG. 20 shows a state in which a plurality of light receiving units 500 composed of an optical antenna 51, a phase shifter 56, and a waveguide 57 are arranged on the first surface of the substrate 52.
  • the phase shift amount by the phase shifter 56 included in each of the plurality of light receiving units 500 is adjusted so that the phase of the light derived from the spatial optical signal arriving from one direction is the same on the light receiving surface of the light receiving element 53.
  • FIG. 20 shows a state in which a plurality of light receiving units 500 composed of an optical antenna 51, a phase shifter 56, and a waveguide 57 are arranged on the first surface of the substrate 52.
  • the phase shift amount by the phase shifter 56 included in each of the plurality of light receiving units 500 is adjusted so that the phase of the light
  • the phase shift amount of the phase shifter 56 included in each of the plurality of light receiving units 500 is such that the phase of the light derived from the spatial optical signal arriving from one direction is the same on the light receiving surface of the light receiving element 53. It will be adjusted.
  • FIG. 21 is a conceptual diagram showing an example of the trajectory of the spatial optical signal when the arrival direction of the spatial optical signal to be received is various.
  • the phase shifter 56 can be realized by an active phase shifter.
  • FIG. 21 shows a state in which a plurality of light receiving units 500 composed of an optical antenna 51, a phase shifter 56, and a waveguide 57 are arranged on the first surface of the substrate 52.
  • the phase shift amount by the phase shifter 56 included in each of the plurality of light receiving units 500 is adjusted so that the phase of the light derived from the spatial optical signals arriving from various directions is the same on the light receiving surface of the light receiving element 53. Will be done.
  • FIG. 21 shows a state in which a plurality of light receiving units 500 composed of an optical antenna 51, a phase shifter 56, and a waveguide 57 are arranged on the first surface of the substrate 52.
  • the phase shift amount by the phase shifter 56 included in each of the plurality of light receiving units 500 is adjusted so that the phase of the light
  • the phase shift amount of the phase shifter 56 included in each of the plurality of light receiving units 500 is such that the phases of the light derived from the spatial optical signals arriving from various directions are the same on the light receiving surface of the light receiving element 53. Is adjusted to.
  • FIG. 22 is a plan view showing an example of the configuration of the light receiving device 50-9 of the modified example 9 of the light receiving device 50 of the present embodiment.
  • the shape of the substrate 52 is rectangular in a plan view.
  • the light receiving device 50-9 includes one light receiving element 53.
  • the light receiving element 53 is arranged at a position indicated by a dotted circle in the center of the second surface of the substrate 52.
  • the optical antenna 51 is formed on the first surface of the substrate 52.
  • the plurality of waveguides 510 constituting the optical antenna 51 are extended from the two opposing long sides of the rectangular substrate 52 in a direction perpendicular to the long sides.
  • the upper waveguide 510 is stretched downward and the lower waveguide 510 is stretched upward.
  • the exit ends of the plurality of waveguides 510 are connected to the input ends of the phase shifter 56.
  • the output end of the phase shifter 56 is connected to the input end of the waveguide 57.
  • the emission end of the waveguide 57 is arranged so as to face the light receiving surface of the light receiving element 53 with the substrate 52 interposed therebetween.
  • the length of the waveguide 57 included in the light receiving device 50-9 varies depending on the position of the light receiving unit.
  • the waveguide 57 of the light receiving unit farther from the light receiving element 53 is longer than the waveguide 57 of the light receiving unit closer to the light receiving element 53. Therefore, the phase shifter 56 is adjusted so as to shift the phase of the light by a shift amount according to the position of the light receiving unit.
  • the directions of the plurality of waveguides 510 with respect to the arrival direction of the spatial optical signal are the same. Therefore, it is not necessary to shift the phase of the light according to the arrival direction of the spatial optical signal.
  • the positions of the phase shifter 56 and the light receiving element 53 are different depending on the position of the light receiving unit on the substrate 52, the length of the waveguide 57 is different for each light receiving unit. Therefore, the phase shift amount of the phase shifter 56 of the light receiving device 50-9 is adjusted according to the position of the light receiving unit on the substrate 52.
  • phase shifter 56 is assigned according to the arrival direction of the spatial optical signal and the position of the light receiving unit on the substrate 52. The amount of phase shift may be adjusted.
  • the light receiving device of the present embodiment includes an optical antenna, a phase shifter, a waveguide, a substrate, and a light receiving element.
  • the optical antenna is formed on the first surface of the substrate.
  • the optical antenna receives a spatial optical signal.
  • the optical antenna guides the signal light derived from the spatial optical signal to the emission end along the in-plane direction of the substrate.
  • the optical antenna emits signal light from the emission end toward the substrate.
  • the phase shifter is connected to the exit end of the optical antenna.
  • the phase shifter adjusts the phase of the input signal light so that the phase of the signal light is aligned at the position of the light receiving portion of the light receiving element, and outputs the signal light from the output end.
  • the waveguide is connected to the output end of the phase shifter.
  • the signal light output from the phase shifter is input to the waveguide.
  • the waveguide emits the input signal light toward the light receiving surface of the light receiving element.
  • the substrate transmits light in the wavelength band of the spatial optical signal to be received.
  • the light receiving element is arranged with the light receiving surface facing the second surface facing the first surface of the substrate. The light receiving element receives the signal light emitted from the optical antenna on the light receiving surface.
  • the phases of light received by a plurality of optical antennas can be aligned by using a phase shifter. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to receive a spatial optical signal arriving from an arbitrary direction by providing directivity according to the arriving direction of the spatial optical signal. Further, according to the present embodiment, since the phase can be adjusted by the phase shifter, the length of the waveguide can be different for each optical antenna. Therefore, according to the present embodiment, the length of the optical antenna can be varied, and the density of the optical antenna can be increased by devising the arrangement of the optical antenna. For example, if an active phase shifter is used, it is possible to cancel noise light that is out of phase with the space light signal to be received by using light having a phase opposite to that noise light.
  • the light receiving device of the present embodiment is different from the light receiving device of the first embodiment in that it receives a spatial optical signal arriving from an arbitrary direction in a predetermined plane.
  • the light receiving device of the present embodiment may be combined with the light receiving device of the second to fifth embodiments.
  • FIG. 23 is a conceptual diagram showing an example of the configuration of the light receiving device 600 of the present embodiment.
  • FIG. 23 is a view of the light receiving device 600 as viewed from an obliquely upward viewpoint.
  • the light receiving device 600 includes a plurality of light receiving devices 60.
  • the plurality of light receivers 60 are arranged on the side surface of the cylindrical light receiving device 600 with the light receiving surface facing outward. That is, the plurality of optical antennas constituting each of the plurality of light receivers 60 are arranged along the circumference of the specific circle with the light receiving surface facing in the radial direction of the specific circle.
  • Supports 68 for supporting a plurality of receivers 60 are arranged at the upper and lower portions of the light receiving device 600.
  • the support 68 does not transmit light in the wavelength band of the spatial optical signal to be received.
  • the support 68 is not limited in shape, material, or the like as long as it can support a plurality of light receivers 60.
  • Each of the plurality of photoreceivers 60 has at least one of the configurations of the light receiving devices of the first to fifth embodiments.
  • Each of the plurality of receivers 60 may have the same configuration or may be a combination of different configurations. The detailed configuration of each of the plurality of receivers 60 will be omitted.
  • the light receiving device 600 includes a light receiving element that receives light derived from a spatial optical signal.
  • the light receiving element may be provided for each of the plurality of light receivers 60, or may be provided in common for the plurality of light receivers 60.
  • a common light receiving element is provided for a plurality of light receiving devices 60
  • a light guide body that guides the light received by the light receiving elements 60 to the light receiving surface of the light receiving element may be provided.
  • the light receiving device 600 receives a spatial optical signal arriving from all directions on the side by one of the light receiving devices 60.
  • the light receiving device 600 can receive a spatial optical signal transmitted from a position separated by several tens to 100 meters.
  • the arrival direction of the spatial optical signal received by each of the plurality of light receivers 60 is limited to one direction. Therefore, not only an active type but also a passive type phase shifter can be used for the plurality of receivers 60.
  • the light receiving direction of the light receiving device 600 can be changed by directing the light receiving surfaces of the plurality of light receiving devices 60 in a desired direction. For example, if the tilt of the light receiving device 600 is configured to be mechanically controllable, the light receiving surfaces of the plurality of light receiving devices 60 can be directed in a desired direction.
  • the light receiving device of the present embodiment includes a plurality of optical antennas, a substrate, and a light receiving element.
  • the plurality of optical antennas are formed on the front surface of the substrate.
  • the plurality of optical antennas are arranged along the circumference of a specific circle with the light receiving surface directed in the radial direction of the specific circle.
  • the plurality of optical antennas receive a spatial optical signal.
  • the plurality of optical antennas guide the signal light derived from the spatial optical signal to the emission end along the in-plane direction of the substrate.
  • the plurality of optical antennas emit signal light from the emission end toward the substrate.
  • the substrate transmits light in the wavelength band of the spatial optical signal to be received.
  • the light receiving element is arranged with the light receiving surface facing the second surface facing the first surface of the substrate.
  • the light receiving element receives signal light emitted from a plurality of optical antennas on the light receiving surface.
  • the light receiving device of the present embodiment it is possible to receive spatial optical signals coming from all directions in a predetermined plane by a plurality of optical antennas without using a lens system such as a condenser lens. Since the light receiving device of the present embodiment does not include a lens system such as a condenser lens, the size can be reduced as compared with the device including the lens system.
  • the receiving device of the present embodiment includes at least one of the light receiving devices of the first to sixth embodiments.
  • the receiving device of the present embodiment includes a decoder that decodes the spatial optical signal received by the light receiving device.
  • FIG. 24 is a conceptual diagram showing an example of the configuration of the receiving device 700 of the present embodiment.
  • the receiving device 700 includes a receiver 70 and a decoder 78.
  • FIG. 24 is a side view of the internal configuration of the receiving device 700.
  • the position of the decoder 78 is not particularly limited.
  • the decoder 78 may be arranged inside the receiving device 700, or may be arranged outside the receiving device 700.
  • the light receiver 70 is one of the light receiving devices of the first to sixth embodiments.
  • the light receiving device 70 may be configured by combining some of the light receiving devices of the first to sixth embodiments.
  • the light receiver 70 converts light (also referred to as signal light) derived from the received spatial optical signal into an electric signal.
  • the receiver 70 outputs the converted electrical signal (hereinafter referred to as a signal) to the decoder 78.
  • the decoder 78 acquires the signal output from the receiver 70.
  • the decoder 78 amplifies the acquired signal.
  • the decoder 78 decodes the amplified signal and analyzes the signal from the communication target.
  • the signal decoded by the decoder 78 is used for any purpose.
  • the use of the signal decoded by the decoder 78 is not particularly limited.
  • the decoder 78 includes a first processing circuit and a second processing circuit (not shown).
  • the first processing circuit acquires the signal from the receiver 70.
  • the first processing circuit cuts the signal derived from the ambient light such as sunlight from the acquired signals, and selectively passes the signal of the high frequency component corresponding to the wavelength band of the spatial optical signal.
  • the first processing circuit may selectively pass a signal in the wavelength band of the spatial optical signal.
  • the first processing circuit amplifies the selected signal.
  • the first processing circuit outputs the amplified signal to the second processing circuit.
  • the second processing circuit acquires a signal from the first processing circuit.
  • the second processing circuit decodes the acquired signal.
  • the second processing circuit may be configured to add some signal processing to the decoded signal, or may be configured to output to an external signal processing device or the like (not shown).
  • the second processing circuit may be configured to read those signals in a time division manner.
  • the receiving device of the present embodiment includes the light receiving device according to any one of the first to sixth embodiments and the decoder.
  • the decoder decodes the signal based on the spatial optical signal received by the light receiving device.
  • a signal based on a spatial optical signal can be decoded.
  • a single channel receiving device can be realized.
  • a multi-channel receiving device can be realized by decoding a signal based on a spatial optical signal in a time-division manner.
  • the light receiving device of the present embodiment has a simplified configuration of the light receiving device of the first to sixth embodiments.
  • FIG. 25 is a conceptual diagram showing an example of the configuration of the light receiving device 80 of the present embodiment.
  • FIG. 26 is a cross-sectional view of the light receiving device 80 cut along the HH cutting line of FIG. 25.
  • the light receiving device 80 includes an optical antenna 81, a substrate 82, and a light receiving element 83.
  • the optical antenna 81 is formed on the first surface of the substrate 82.
  • the optical antenna 81 receives a spatial optical signal.
  • the optical antenna 81 guides the signal light derived from the spatial optical signal to the emission end along the in-plane direction of the substrate 82.
  • the optical antenna 81 emits signal light from the emission end toward the substrate 82.
  • the substrate 82 transmits light in the wavelength band of the spatial optical signal to be received light.
  • the light receiving element 83 is arranged with the light receiving surface facing the second surface facing the first surface of the substrate 82.
  • the light receiving element 83 receives the signal light emitted from the optical antenna 81 on the light receiving surface.
  • the light receiving device of the present embodiment can efficiently guide signal light derived from a spatial optical signal to a light receiving element having a light receiving portion having a small opening area capable of obtaining high-speed response. Therefore, according to the light receiving device of the present embodiment, the spatial optical signal can be efficiently received.
  • Light receiving device 11 21, 31, 41, 51, 81 Optical antenna 12, 22, 32, 42, 52, 82 Substrate 13, 23, 33, 43, 53, 83
  • Light receiving device Element 34 Reflector 45
  • Light pipe 56 Phase shifter 57 Waveguide 60 Receiver 68 Support 70

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Abstract

空間光信号を効率よく受光するために、受光対象の空間光信号の波長帯の光を透過する基板と、基板の第一面に配置され、空間光信号を受光し、空間光信号に由来する信号光を基板の面内方向に沿って出射端に導光し、出射端から基板に向けて信号光を出射する光アンテナと、基板の第一面に対向する第二面に受光面を向けて配置され、光アンテナから出射された信号光を受光面で受光する受光素子と、を備える受光装置とする。

Description

受光装置および受信装置
　本開示は、空間光信号を受光する受光装置等に関する。
　光空間通信においては、光ファイバなどの媒体を用いずに、空間を伝播する信号光（以下、空間光信号とも呼ぶ）を送受信し合う。空間を広がって伝搬する空間光信号を受信するためには、できる限り大きな集光レンズが必要となる。また、光空間通信においては、高速通信を行うために、静電容量の小さなフォトダイオードが用いられる。そのようなフォトダイオードは、受光面が非常に小さいため、多様な方向から到来する空間光信号をその受光面に向けて集光レンズで集光することは難しい。
　特許文献１には、入射光を表面プラズモンに変換して受光する受光素子について開示されている。特許文献１の受光素子は、導電性薄膜と受光部を有する。導電性薄膜の表面には、入射光を表面プラズモンに変換するための結合周期構造が形成される。該結合周期構造中には、導電性薄膜の表裏面を貫通する開口が形成される。受光部は、開口の結合周期構造が形成された面とは反対面の端部に配置される。
　非特許文献１や非特許文献２には、導波回折アンテナ（ＷＧＡ：Waveguide Grating Antenna）を用いたＬｉＤＡＲ（Light Detection And Ranging）および通信装置について開示されている。非特許文献１－２に開示されたＷＧＡは、強い指向性を示す光アンテナとして機能するとともに、導光体としても機能する。
特開２００７－２４８１４１号公報
M. Raval, et.al., "Unidirectional waveguide grating antennas with uniform emission for optical phased arrays", Optics Letters, Vol.42, No.13, July 1 2017, pp.2563-2566. C. Poulton, et. al., "Long-Range LiDAR and Free-Space Data Communication With High-Performance Optical Phased Arrays", IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 25, NO. 5, SEPTEMBER/OCTOBER 2019.
　特許文献１の受光素子は、結合周期構造において表面プラズモンに変換された入射光を、開口面積の小さな開口を介して受光部で受光することによって、高速な応答性を得ることができる。特許文献１の受光素子は、大規模集積回路の光配線には適用できる。しかしながら、特許文献１の受光素子は、空間光信号の受光に用いるほどに大型化することは難しかった。
　本開示の目的は、空間光信号を効率よく受光できる受光装置等を提供することにある。
　本開示の一態様の受光装置は、受光対象の空間光信号の波長帯の光を透過する基板と、基板の第一面に配置され、空間光信号を受光し、空間光信号に由来する信号光を基板の面内方向に沿って出射端に導光し、出射端から基板に向けて信号光を出射する光アンテナと、基板の第一面に対向する第二面に受光面を向けて配置され、光アンテナから出射された信号光を受光面で受光する受光素子と、を備える。
　本開示によれば、空間光信号を効率よく受光できる受光装置等を提供することが可能になる。
第１の実施形態に係る受光装置の概念的な構成の一例を示す平面図である。 第１の実施形態に係る受光装置の概念的な構成の一例を示す断面図である。 第１の実施形態に係る受光装置の概念的な構成の一例を示す断面図である。 第１の実施形態に係る変形例１の受光装置の概念的な構成の一例を示す平面図である。 第１の実施形態に係る変形例２の受光装置の概念的な構成の一例を示す平面図である。 第１の実施形態に係る変形例３の受光装置の概念的な構成の一例を示す平面図である。 第１の実施形態に係る変形例４の受光装置の概念的な構成の一例を示す平面図である。 第１の実施形態に係る変形例５の受光装置の概念的な構成の一例を示す平面図である。 第１の実施形態に係る変形例６の受光装置の概念的な構成の一例を示す平面図である。 第１の実施形態に係る変形例７の受光装置の概念的な構成の一例を示す平面図である。 第１の実施形態に係る変形例８の受光装置の概念的な構成の一例を示す平面図である。 第２の実施形態に係る受光装置の概念的な構成の一例を示す平面図である。 第２の実施形態に係る受光装置の概念的な構成の一例を示す断面図である。 第３の実施形態に係る受光装置の概念的な構成の一例を示す平面図である。 第３の実施形態に係る受光装置の概念的な構成の一例を示す断面図である。 第４の実施形態に係る受光装置の概念的な構成の一例を示す平面図である。 第４の実施形態に係る受光装置の概念的な構成の一例を示す断面図である。 第５の実施形態に係る受光装置の概念的な構成の一例を示す平面図である。 第５の実施形態に係る受光装置の概念的な構成の一例を示す断面図である。 第５の実施形態に係る受光装置の位相シフタによる位相の調整の一例について説明するための概念図である。 第５の実施形態に係る受光装置の位相シフタによる位相の調整の別の一例について説明するための概念図である。 第５の実施形態に係る変形例９の受光装置の概念的な構成の一例を示す断面図である。 第６の実施形態に係る受光装置の構成の一例を示す概念図である。 第７の実施形態に係る受信装置の構成の一例を示すブロック図である。 第８の実施形態に係る受光装置の概念的な構成の一例を示す平面図である。 第８の実施形態に係る受光装置の概念的な構成の一例を示す断面図である。
　以下に、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。ただし、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。なお、以下の実施形態の説明に用いる全図においては、特に理由がない限り、同様箇所には同一符号を付す。また、以下の実施形態において、同様の構成・動作に関しては繰り返しの説明を省略する場合がある。
　以下の実施形態に関する図面中の光の軌跡を示す線は、概念的なものであり、実際の光の進行方向や状態を正確に表すものではない。例えば、以下の実施形態に関する図面においては、空気と物質との界面における屈折や反射、拡散などによる光の進行方向や状態の変化を省略したり、光束を一本の線で表現したりすることもある。
　（第１の実施形態）
　まず、第１の実施形態に係る受光装置について図面を参照しながら説明する。本実施形態の受光装置は、空間を伝播する信号光（以下、空間光信号とも呼ぶ）を送受信し合う光空間通信に用いられる。本実施形態の受光装置は、空間を伝搬する光を受光する用途であれば、光空間通信以外の用途に適用されてもよい。以下において、空間光信号は、十分に離れた位置から到来するために平行光とみなす。
　（構成）
　図１は、本実施形態の受光装置１０の構成の一例を示す平面図である。図２および図３は、図１のＡ－Ａ切断線で切断された受光装置１０の断面図である。図３には、受光装置１０に入射する空間光信号と、受光装置１０の内部を進行する光との軌跡を矢印で概念的に示す。受光装置１０は、光アンテナ１１、基板１２、および受光素子１３を備える。図１～図３には、二組の光アンテナ１１を備える受光装置１０を示す。図１には、基板１２の裏面（第二面）に配置された受光素子１３の位置を点線で示す。
　光アンテナ１１は、基板１２の表面（以下、第一面とも呼ぶ）に形成される。光アンテナ１１は、複数の導波管１１０を含む。複数の導波管１１０は、受光素子１３に受光される光の位相が揃うように、同じ長さを有することが好ましい。導波管１１０は、受光部１１１、導光路１１２、および出射端１１３を含む。受光部１１１は、導波管１１０の側面に形成される。受光部１１１は、基板１２の第一面の面外方向に向けられる。受光部１１１は、空間光信号の波長帯の光を受光する。導光路１１２は、導波管１１０の内部に形成される。導光路１１２は、基板１２の面内方向に沿って、空間光信号に由来する光（信号光とも呼ぶ）を出射端１１３に導光する。出射端１１３は、導波管１１０の一端部に近い側面のうち、受光部１１１の反対側の側面に形成される。出射端１１３は、基板１２の第一面に向けて配置される。出射端１１３は、基板１２を挟んで、受光素子１３の受光面に向けて配置される。受光部１１１で受光された光は、導光路１１２を通じて、出射端１１３に向けて導光される。導光路１１２を通じて導光された光は、出射端１１３から受光素子１３の受光部に向けて出射される。
　例えば、光アンテナ１１は、非特許文献１－２に開示された導波回折アンテナ（ＷＧＡ：Waveguide Grating Antenna）によって実現される（非特許文献１：M. Raval, et.al., “Unidirectional waveguide grating antennas with uniform emission for optical phased arrays”, Optics Letters, Vol.42, No.13, July 1 2017, pp.2563-2566.、非特許文献２：C. Poulton, et. al., “Long-Range LiDAR and Free-Space Data Communication With High-Performance Optical Phased Arrays”, IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 25, NO. 5, SEPTEMBER/OCTOBER 2019.）。
　ＷＧＡは、強い指向性を示す光アンテナとして機能するとともに、導光体としても機能する。非特許文献１－２には、シリコン基板上の酸化シリコン層の内部に、２層の窒化シリコン層を含むＷＧＡが開示されている。２層の窒化シリコン層は、一定のギャップで形成される。２層の窒化シリコン層には、エッチングされた領域（摂動領域）が周期的に形成される。ＷＧＡは、導波管の内部において、２層の窒化シリコン層に摂動領域をパターン化することによって形成される。導波管の内部には、上面から見て、四通りのパターン（パターン１～４）が形成される。パターン１では、エッチングされていない領域（全幅領域）同士が重なる。パターン２では、摂動領域と全幅領域が重なる。パターン３では、摂動領域同士が重なる。パターン４では、全幅領域と摂動領域が重なる。パターン２とパターン４は、実質的に同一のパターンである。これらのパターンによって、シリコン基板の水平面に対して垂直な方向と水平な方向の両方で、一方の方向に建設的な干渉を生成し、もう一方の方向に破壊的な干渉を生成する、変位が４分の１波長の二つの散乱要素を持つ一方向のエミッターが実現される。
　例えば、光アンテナ１１は、ＷＧＡによって実現できる。その場合、導光路１１２の内部と出射端１１３とで、互いに直交する方向に建設的な干渉を生成するように、光アンテナ１１が構成されればよい。このように構成されれば、導光路１１２の延伸方向に導光された光の進行方向を、出射端１１３において、受光素子１３の受光面の向きに変えることができる。
　基板１２の形状は、平面視で矩形である。基板１２の第一面には、導波管１１０が配置される。基板１２の第一面に対向する第二面には、受光素子１３が配置される。基板１２は、空間光信号の波長帯の光を透過する。例えば、基板１２は、シリコン（Ｓｉ）製の基板である。Ｓｉ製の基板１２は、赤外領域の光の透過率が高い。そのため、空間光信号の波長帯が赤外領域の場合、導波管１１０の出射端１１３から出射された光は、基板１２を透過して受光素子１３の受光面で受光される。基板１２の材質は、空間光通信に用いられる空間光信号の波長帯に応じて選択されればよい。空間光信号の波長帯が可視光であれば、ガラスやプラスチックなどの基板１２を用いてもよい。
　受光素子１３は、基板１２の第二面に配置される。受光素子１３は、基板１２の中央付近に配置される。受光素子１３は、空間光信号の波長帯の光を受光する受光面を有する。受光素子１３は、基板１２を介して、その受光面が導波管１１０の出射端１１３と対面するように配置される。導波管１１０の出射端１１３から出射された光は、基板１２を透過して、受光素子１３の受光面で受光される。
　受光素子１３は、受光対象の空間光信号の波長領域の光を受光する。例えば、受光素子１３は、赤外領域の信号光を受光する。受光素子１３は、例えば１．５μｍ帯の波長の信号光を受光する。なお、受光素子１３が受光する信号光の波長帯は、１．５μｍ帯に限定されない。受光素子１３によって受光される信号光の波長帯は、空間光信号の波長に合わせて、任意に設定できる。受光素子１３によって受光される信号光の波長帯は、例えば０．８μｍ帯や、１．５５μｍ帯、２．２μｍ帯に設定されてもよい。また、受光素子１３が受光する信号光の波長帯は、例えば０．８～１μｍ帯であってもよい。信号光の波長帯が短い方が、大気中の水分による吸収が小さいので、降雨時における光空間通信には有利である。また、受光素子１３は、可視領域の信号光を受光してもよい。また、受光素子１３は、強烈な太陽光で飽和してしまうと、空間光信号に由来する信号光を読み取ることができない。そのため、受光素子１３よりも前段に、空間光信号の波長帯の光を選択的に通過させる色フィルタを設置してもよい。
　受光素子１３は、受光された信号光を電気信号に変換する。受光素子１３は、変換後の電気信号を、デコーダ（図示しない）に出力する。例えば、受光素子１３は、フォトダイオードやフォトトランジスタなどの素子によって実現できる。例えば、受光素子１３は、アバランシェフォトダイオードによって実現される。アバランシェフォトダイオードによって実現された受光素子１３は、高速通信に対応できる。なお、受光素子１３は、信号光を電気信号に変換できさえすれば、フォトダイオードやフォトトランジスタ、アバランシェフォトダイオード以外の素子によって実現されてもよい。
　受光素子１３の受光面は、通信速度を向上させるために、できるだけ小さい方が好ましい。例えば、受光素子１３の受光面は、直径０．１～０．３ｍｍ（ミリメートル）程度の受光面を有する。集光レンズなどによって集光された光は、空間光信号の到来方向によって一定の範囲内に集光されるものの、受光素子１３の受光面が配置された領域に集光することは難しい。本実施形態では、強い指向性を示す光アンテナとして機能するとともに、導光体としても機能する光アンテナ１１を用いる。光アンテナ１１は、多様な方向から到来する空間光信号に由来する光を、受光素子１３の受光面に導く。光アンテナ１１の受光部１１１によって受光された空間光信号に由来する光は、導光路１１２を介して、受光素子１３の受光面に対面する出射端１１３から出射される。そのため、受光装置１０は、任意の方向から到来する空間光信号を、受光素子１３の受光面に効率よく導光できる。
　（変形例）
　次に、本実施形態の受光装置１０の変形例について、図面を参照しながら説明する。以下においては、受光装置１０の変形例の平面図を用いて説明する。以下の変形例においては、図１～図３の受光装置１０の構成とは異なる光アンテナ１１および基板１２を含むが、それらに受光装置１０と同一の符号を付す場合がある。以下の変形例においては、延伸方向が異なる複数の導波管１１０が同じ基板１２に配置される例をあげる。導波管１１０の延伸方向が異なると、空間光信号の到来方向に応じて、受光素子１３の受光面に出射される信号光の位相が異なるが、以下の変形例においては、光の位相のずれについては無視する。
　〔変形例１〕
　図４は、変形例１の受光装置１０－１の構成の一例を示す平面図である。基板１２の形状は、平面視で矩形である。受光装置１０－１は、一つの受光素子１３を備える。受光素子１３は、基板１２の第二面の右端の点線の円で示す位置に配置される。
　受光装置１０－１は、一組の光アンテナ１１を備える。光アンテナ１１を構成する複数の導波管１１０の出射端は、基板１２の右端に近い位置に、受光素子１３の受光面に対面するよう配置される。受光素子１３の受光面は、基板１２を挟んで、光アンテナ１１を構成する複数の導波管１１０の出射端に対面するように配置される。
　本変形例によれば、図１～図３の受光装置１０と同様に、光アンテナ１１によって受光された光を、単一の受光素子１３の受光面に導光できる。
　〔変形例２〕
　図５は、変形例２の受光装置１０－２の構成の一例を示す平面図である。基板１２の形状は、平面視で矩形である。受光装置１０－２は、二つの受光素子１３（受光素子１３－１～２）を備える。受光素子１３－１は、基板１２の第二面の左端の点線の円で示す位置に配置される。受光素子１３－２は、基板１２の第二面の右端の点線の円で示す位置に配置される。
　受光装置１０－２は、二組の光アンテナ１１（光アンテナ１１－１～２）を備える。光アンテナ１１－１は、複数の導波管１１０の出射端が受光素子１３－１の受光面に対面するように配置される。光アンテナ１１－２は、複数の導波管１１０の出射端が受光素子１３－２の受光面に対面するように配置される。
　受光素子１３－１の受光面は、基板１２を挟んで、光アンテナ１１－１を構成する複数の導波管１１０の出射端に対面するように配置される。受光素子１３－２の受光面は、基板１２を挟んで、光アンテナ１１－２を構成する複数の導波管１１０の出射端に対面するように配置される。
　本変形例によれば、基板１２の第一面に形成された、二組の光アンテナ１１の各々によって受光された光を、異なる受光素子１３の受光面に導光できる。
　〔変形例３〕
　図６は、変形例３の受光装置１０－３の構成の一例を示す平面図である。基板１２の形状は、平面視で矩形である。受光装置１０－３は、三つの受光素子１３（受光素子１３－１～３）を備える。受光素子１３－１は、基板１２の第二面の左端の点線の円で示す位置に配置される。受光素子１３－２は、基板１２の第二面の中央の点線の円で示す位置に配置される。受光素子１３－３は、基板１２の第二面の右端の点線の円で示す位置に配置される。
　受光装置１０－３は、四組の光アンテナ１１（光アンテナ１１－１～４）を備える。光アンテナ１１－１～４は、基板１２の長手方向に対して、それらの導波管の延伸方向が斜めになるように配置される。光アンテナ１１－１は、複数の導波管１１０の出射端が受光素子１３－１の受光面に対面するように配置される。光アンテナ１１－２は、複数の導波管１１０の出射端が受光素子１３－２の受光面に対面するように配置される。光アンテナ１１－３は、複数の導波管１１０の出射端が受光素子１３－２の受光面に対面するように配置される。光アンテナ１１－４は、複数の導波管１１０の出射端が受光素子１３－３の受光面に対面するように配置される。
　受光素子１３－１の受光面は、基板１２を挟んで、光アンテナ１１－１を構成する複数の導波管１１０の出射端に対面するように配置される。受光素子１３－２の受光面は、基板１２を挟んで、光アンテナ１１－２～３を構成する複数の導波管１１０の出射端に対面するように配置される。受光素子１３－３の受光面は、基板１２を挟んで、光アンテナ１１－４を構成する複数の導波管１１０の出射端に対面するように配置される。
　本変形例によれば、基板１２の第一面に形成された複数の光アンテナ１１の各々によって受光された光を、複数の受光素子１３のいずれかの受光面に導光できる。
　〔変形例４〕
　図７は、変形例４の受光装置１０－４の構成の一例を示す平面図である。基板１２の形状は、平面視で三角形である。受光装置１０－４は、一つの受光素子１３を備える。受光素子１３は、三角形の基板１２の重心を含む点線の円で示す位置に配置される。
　受光装置１０－４は、三組の光アンテナ１１（光アンテナ１１－１～３）を備える。光アンテナ１１－１～３は、複数の導波管１１０の出射端が受光素子１３の受光面に対面するように配置される。光アンテナ１１－１～３は、複数の導波管１１０の出射端とは反対側の端部が、三角形の基板１２のいずれかの頂点に向けて配置される。受光素子１３の受光面は、基板１２を挟んで、光アンテナ１１－１～３を構成する複数の導波管１１０の出射端に対面するように配置される。
　本変形例によれば、三角形の基板１２の第一面に形成された、三組の光アンテナ１１の各々によって受光された光を、単一の受光素子１３の受光面に導光できる。
　〔変形例５〕
　図８は、変形例５の受光装置１０－５の構成の一例を示す平面図である。基板１２の形状は、平面視で三角形である。受光装置１０－５は、三つの受光素子１３（１３－１～３）を備える。受光素子１３－１～３の各々は、三角形の基板１２の頂点の近傍の点線の円で示す位置に配置される。
　受光装置１０－５は、三組の光アンテナ１１（光アンテナ１１－１～３）を備える。光アンテナ１１－１は、導波管１１０の延伸方向が三角形の基板１２の右側の辺に並行し、複数の導波管１１０の出射端が受光素子１３－１の受光面に対面するように配置される。光アンテナ１１－２は、導波管１１０の延伸方向が三角形の基板１２の下側の辺に並行し、複数の導波管１１０の出射端が受光素子１３－２の受光面に対面するように配置される。光アンテナ１１－３は、導波管１１０の延伸方向が三角形の基板１２の左側の辺に並行し、複数の導波管１１０の出射端が受光素子１３－３の受光面に対面するように配置される。
　受光素子１３－１の受光面は、基板１２を挟んで、光アンテナ１１－１を構成する複数の導波管１１０の出射端に対面するように配置される。受光素子１３－２の受光面は、基板１２を挟んで、光アンテナ１１－２を構成する複数の導波管１１０の出射端に対面するように配置される。受光素子１３－３の受光面は、基板１２を挟んで、光アンテナ１１－３を構成する複数の導波管１１０の出射端に対面するように配置される。
　本変形例によれば、三角形の基板１２の第一面に形成された、三組の光アンテナ１１の各々によって受光された光を、異なる受光素子１３の受光面に導光できる。
　〔変形例６〕
　図９は、変形例６の受光装置１０－６の構成の一例を示す平面図である。基板１２の形状は、平面視で円形である。受光装置１０－６は、一つの受光素子１３を備える。受光素子１３は、円形の基板１２の中心を含む点線の円で示す位置に配置される。
　受光装置１０－６は、円形の基板１２の中心近傍から、半径方向に向けて放射状に延伸される複数の導波管１１０によって構成される光アンテナ（符号は省略する）を備える。光アンテナを構成する複数の導波管１１０の出射端は、円形の基板の中心付近に位置する受光素子１３の受光面に対面するように配置される。複数の導波管１１０の出射端とは反対側の端部は、円形の基板１２の半径方向に向けて配置される。受光素子１３の受光面は、基板１２を挟んで、光アンテナを構成する複数の導波管１１０の出射端に対面するように配置される。
　本変形例によれば、円形の基板１２の第一面に放射状に形成された複数の導波管１１０で構成される光アンテナによって受光された光を、単一の受光素子１３の受光面に導光できる。
　〔変形例７〕
　図１０は、変形例７の受光装置１０－７の構成の一例を示す平面図である。基板１２の形状は、平面視で円形である。受光装置１０－７は、一つの受光素子１３を備える。受光素子１３は、円形の基板１２の中心を含む点線の円で示す位置に配置される。
　受光装置１０－７は、円形の基板１２の中心近傍から、半径方向に向けて放射状に延伸される複数の導波管１１０によって構成される、複数の光アンテナ１１を備える。複数の光アンテナ１１の各々を構成する複数の導波管１１０の出射端は、受光素子１３の受光面に対面するように配置される。光アンテナ１１を構成する複数の導波管１１０の出射端とは反対側の端部は、円形の基板１２の半径方向に向けて配置される。受光素子１３の受光面は、基板１２を挟んで、光アンテナ１１を構成する複数の導波管１１０の出射端に対面するように配置される。
　本変形例によれば、円形の基板１２の第一面に放射状に形成された複数の導波管１１０で構成される光アンテナ１１によって受光された光を、単一の受光素子１３の受光面に導光できる。
　〔変形例８〕
　図１１は、変形例８の受光装置１０－８の構成の一例を示す平面図である。基板１２の形状は、平面視で円形である。受光装置１０－８は、複数の受光素子１３を備える。複数の受光素子１３は、円形の基板１２の中心を含む点線の円や、円周付近の点線の円で示す位置に配置される。
　受光装置１０－８は、円形の基板１２の中心近傍から、半径方向に向けて放射状に延伸される複数の導波管１１０によって構成される、複数の光アンテナ１１を備える。複数の光アンテナ１１の各々を構成する複数の導波管１１０の出射端は、複数の受光素子１３のうちいずれかの受光面に対面するように配置される。光アンテナ１１の複数の導波管１１０の出射端とは反対側の端部は、円形の基板１２の円周又は中心に向けて配置される。受光素子１３の受光面は、基板１２を挟んで、光アンテナ１１を構成する複数の導波管１１０の出射端に対面するように配置される。
　本変形例によれば、円形の基板１２の第一面に放射状に形成された複数の導波管１１０で構成される光アンテナ１１によって受光された光を、複数の受光素子１３の受光面に導光できる。
　以上のように、本実施形態の受光装置は、光アンテナ、基板、および受光素子を備える。光アンテナは、基板の第一面に形成される。光アンテナは、空間光信号を受光する。光アンテナは、空間光信号に由来する信号光を基板の面内方向に沿って出射端に導光する。光アンテナは、出射端から基板に向けて信号光を出射する。基板は、受光対象の空間光信号の波長帯の光を透過する。受光素子は、基板の第一面に対向する第二面に受光面を向けて配置される。受光素子は、光アンテナから出射された信号光を受光面で受光する。
　例えば、光アンテナは、空間光信号を受光する受光部と、空間光信号に由来する信号光が導光される導光路と、導光路を通じて導光された信号光が出射される出射端とを含む複数の導波管によって構成される。複数の導波管の出射端は、基板を挟んで、受光素子の受光面に向けて配置される。例えば、光アンテナは、導波回折アンテナである。
　本実施形態の受光装置は、高速な応答性を得ることができる開口面積の小さな受光部を有する受光素子に、空間光信号に由来する信号光を効率よく導光する。そのため、本実施形態の受光装置によれば、空間光信号を効率よく受光できる。
　本実施形態の一態様の受光装置は、基板の第一面に、基板を挟んで、受光素子の受光面に向けて出射端が配置された複数の光アンテナを備える。本態様の受光装置では、複数の光アンテナによって受光装置を構成することによって、空間光信号の受光面積を大きくすることができる。そのため、本態様の受光装置によれば、空間光信号をより効率よく受光できる。
　（第２の実施形態）
　次に、第２の実施形態に係る受光装置について図面を参照しながら説明する。本実施形態の受光装置は、基板の第二面において、受光素子が配置される位置にトレンチが形成されている点において、第１の実施形態の受光装置とは異なる。
　（構成）
　図１２は、本実施形態の受光装置２０の構成の一例を示す平面図である。図１３は、図１２のＢ－Ｂ切断線で切断された受光装置２０の断面図である。図１３には、受光装置２０に入射する空間光信号と、受光装置２０の内部を進行する光との軌跡を矢印で概念的に示す。受光装置２０は、光アンテナ２１、基板２２、および受光素子２３を備える。図１２～図１３には、二組の光アンテナ２１を備える受光装置２０を示す。図１２には、基板２２に形成されたトレンチ２２０の位置と、基板２２の裏面（第二面）の側のトレンチ２２０の部分に配置された受光素子２３の位置とを点線で示す。
　光アンテナ２１は、基板２２の第一面に形成される。光アンテナ２１は、複数の導波管２１０を含む。光アンテナ２１は、第１の実施形態の光アンテナ１１と同様の構成であるため、詳細な説明は省略する。
　基板２２の形状は、平面視で矩形である。基板２２の第一面には、導波管２１０が配置される。基板２２の第一面に対向する第二面の中央付近には、トレンチ２２０が形成される。例えば、トレンチ２２０は、基板２２の第二面を掘削することによって形成できる。基板２２の第一面に対向する第二面のトレンチ２２０の部分には、受光素子２３が配置される。基板２２の材質は、第１の実施形態の基板１２と同様である。
　受光素子２３は、基板２２の第二面の側に形成されたトレンチ２２０の部分に配置される。受光素子２３は、空間光信号の波長帯の光を受光する受光面を有する。受光素子２３は、基板２２のトレンチ２２０の部分を介して、その受光面が導波管２１０の出射端と対面するように配置される。導波管２１０の出射端から出射された光は、基板２２のトレンチ２２０の部分を透過して、受光素子２３の受光面で受光される。受光素子２３は、第１の実施形態の受光素子１３と同様の構成である。
　以上のように、本実施形態の受光装置は、光アンテナ、基板、および受光素子を備える。光アンテナは、基板の第一面に形成される。光アンテナは、空間光信号を受光する。光アンテナは、空間光信号に由来する信号光を基板の面内方向に沿って出射端に導光する。光アンテナは、出射端から基板に向けて信号光を出射する。基板は、受光対象の空間光信号の波長帯の光を透過する。基板の第二面には、トレンチが形成される。受光素子は、基板の第一面に対向する第二面に受光面を向けて、トレンチの位置に配置される。受光素子は、光アンテナから出射された信号光を受光面で受光する。
　本実施形態の受光装置では、基板にトレンチが形成されていることによって、光アンテナの出射端から出射された光が通過する基板の厚さが薄くなるので、基板を通過する際の光の減衰量が低減される。そのため、本実施形態の受光装置によれば、第１の実施形態よりも受光素子の受光効率を向上できる。
　（第３の実施形態）
　次に、第３の実施形態に係る受光装置について図面を参照しながら説明する。本実施形態の受光装置は、光アンテナを構成する複数の導波管の出射端とは反対側の端部（反対側端部とも呼ぶ）に反射鏡が配置されている点において、第１の実施形態の受光装置とは異なる。本実施形態の受光装置は、第２の実施形態の受光装置と組み合わせてもよい。
　（構成）
　図１４は、本実施形態の受光装置３０の構成の一例を示す平面図である。図１５は、図１４のＣ－Ｃ切断線で切断された受光装置３０の断面図である。図１５には、受光装置３０に入射する空間光信号と、受光装置３０の内部を進行する光との軌跡を矢印で概念的に示す。受光装置３０は、光アンテナ３１、基板３２、受光素子３３、および反射鏡３４を備える。図１４～図１５には、二組の光アンテナ３１を備える受光装置３０を示す。図１４には、基板３２の裏面（第二面）の位置に配置された受光素子３３の位置を点線で示す。
　光アンテナ３１は、基板３２の第一面に形成される。光アンテナ３１は、複数の導波管３１０を含む。光アンテナ３１は、第１の実施形態の光アンテナ１１と同様の構成であるため、詳細な説明は省略する。
　基板３２の形状は、平面視で矩形である。基板３２の第一面には、導波管３１０が配置される。基板３２の第一面に対向する第二面には、受光素子３３が配置される。基板３２の材質は、第１の実施形態の基板１２と同様である。
　受光素子３３は、基板３２の第二面に配置される。受光素子３３は、基板３２の中央付近に配置される。受光素子３３は、空間光信号の波長帯の光を受光する受光面を有する。受光素子３３は、基板３２を介して、その受光面が導波管３１０の出射端と対面するように配置される。導波管３１０の出射端から出射された光は、基板３２を透過して、受光素子３３の受光面で受光される。受光素子３３は、第１の実施形態の受光素子１３と同様の構成である。
　反射鏡３４は、基板３２の第一面に配置される。反射鏡３４は、空間光信号の波長帯の光を反射する反射面を有する。反射鏡３４は、基板３２の左右の両端の近傍に配置される。反射鏡３４は、光アンテナ３１を構成する複数の導波管３１０の中心軸に対して、反射面が垂直になるように配置される。反射鏡３４の反射面には、導波管３１０の反対側端部が対面する。導波管３１０の反対側端部から、反射鏡３４の反射面に到達した光は、その反射面で反射されて、導波管３１０の内部の導光路を出射端に向けて進行する。
　以上のように、本実施形態の受光装置は、光アンテナ、反射鏡、基板、および受光素子を備える。光アンテナは、基板の第一面に形成される。光アンテナは、空間光信号を受光する。光アンテナは、空間光信号に由来する信号光を基板の面内方向に沿って出射端に導光する。光アンテナは、出射端から基板に向けて信号光を出射する。反射鏡は、光アンテナの出射端とは反対側の端部に配置され、出射端に向けて信号光を反射する。基板は、受光対象の空間光信号の波長帯の光を透過する。受光素子は、基板の第一面に対向する第二面に受光面を向けて配置される。受光素子は、光アンテナから出射された信号光を受光面で受光する。
　本実施形態の受光装置によれば、光アンテナの出射端とは反対側の端部に配置された反射鏡で、信号光を出射端に向けて反射することによって、第１の実施形態よりも受光素子の受光効率を向上できる。
　（第４の実施形態）
　次に、第４の実施形態に係る受光装置について図面を参照しながら説明する。本実施形態の受光装置は、基板の第二面と受光素子の受光面の間に、受光素子の受光面に向けて光を導光するライトパイプが配置されている点において、第１の実施形態の受光装置とは異なる。本実施形態の受光装置は、第２～第３の実施形態の受光装置と組み合わせてもよい。
　（構成）
　図１６は、本実施形態の受光装置４０の構成の一例を示す平面図である。図１７は、図１６のＤ－Ｄ切断線で切断された受光装置４０の断面図である。図１７には、受光装置４０に入射する空間光信号と、受光装置４０の内部を進行する光との軌跡を矢印で概念的に示す。受光装置４０は、光アンテナ４１、基板４２、受光素子４３、およびライトパイプ４５を備える。図１６～図１７には、二組の光アンテナ４１を備える受光装置４０を示す。図１７には、基板４２の裏面（第二面）に配置された受光素子４３およびライトパイプ４５の位置を点線で示す。
　光アンテナ４１は、基板４２の第一面に形成される。光アンテナ４１は、複数の導波管４１０を含む。複数の導波管４１０の出射端は、基板４２を介して、第二面に配置されたライトパイプ４５の入射面に対面するように配置される。光アンテナ４１は、第１の実施形態の光アンテナ１１と同様の構成であるため、詳細な説明は省略する。なお、光アンテナ４１を構成する複数の導波管４１０の数は、受光素子４３の受光面の面積と比べて大きなライトパイプ４５の入射面に対応付ければよい。そのため、本実施形態の光アンテナ４１は、第１の実施形態の光アンテナ１１と比べて、導波管４１０の数を多くすることができる。
　基板４２の形状は、平面視で矩形である。基板４２の第一面には、導波管４１０が配置される。基板４２の第一面に対向する第二面の中央付近には、ライトパイプ４５が配置される。基板４２の材質は、第１の実施形態の基板１２と同様である。
　ライトパイプ４５は、受光素子４３に対応付けて配置される。ライトパイプ４５は、基板４２に向けられる入射面と、受光素子４３の受光面に向けられる出射面とを有する。出射面は、入射面と比べて面積が小さい。ライトパイプ４５の入射面は、基板４２と接するように配置される。ライトパイプ４５の入射面には、複数の導波管４１０の出射端から出射された光が入射される。なお、複数の導波管４１０の出射端から出射された光がライトパイプ４５の入射面に入射されれば、ライトパイプ４５の入射面と基板４２は、接しなくてもよい。図１７には、ライトパイプ４５の入射面と出射面が平行になる例を示すが、入射面から出射面に向けて光を導光できさえすれば、入射面と出射面は非平行でもよい。
　ライトパイプ４５は、空間光の波長帯の光を透過しやすい素材で構成されることが好ましい。例えば、ライトパイプ４５は、一般的な光ファイバの素材で構成できる。ライトパイプ４５の外側面には、ライトパイプ４５の内側に向けて信号光の波長帯の光を反射する反射面が形成される。ライトパイプ４５の入射面から入射した信号光は、ライトパイプ４５の側面で反射されながら、出射面に導光される。出射面に導光された信号光は、出射面から出射される。なお、ライトパイプの内部で導光される信号光は、その大部分が出射面から出射されればよく、その一部が側面から漏れてもよい。
　ライトパイプ４５は、その内部が空洞であってもよい。ライトパイプ４５の内側面は、信号光の波長帯の光を反射する。例えば、ライトパイプ４５の内側面には、信号光の波長帯の光を反射する反射体を設置してもよい。なお、信号光の波長帯の光を透過する材質でライトパイプ４５の本体を構成し、ライトパイプ４５の側面にその信号光を反射する反射体を設置してもよい。ライトパイプ４５の内側で反射された光は、出射面から出射されて、受光素子４３の受光面に受光される。ライトパイプ４５が空洞であれば、その内部で信号光が減衰しないため、内部が空洞ではない場合と比べて、受光素子４３の受光面に到達する光の強度が大きくなる。
　受光素子４３は、空間光信号の波長帯の光を受光する受光面を有する。受光素子４３は、ライトパイプ４５の出射面に、その受光面を向けて配置される。受光素子４３は、ライトパイプ４５を介して、その受光面が導波管４１０の出射端と対面するように配置される。導波管４１０の出射端から出射された光は、ライトパイプ４５を介して、受光素子４３の受光面で受光される。受光素子４３は、第１の実施形態の受光素子１３と同様の構成である。
　以上のように、本実施形態の受光装置は、光アンテナ、基板、ライトパイプ、および受光素子を備える。光アンテナは、基板の第一面に形成される。光アンテナは、空間光信号を受光する。光アンテナは、空間光信号に由来する信号光を基板の面内方向に沿って出射端に導光する。光アンテナは、出射端から基板に向けて信号光を出射する。基板は、受光対象の空間光信号の波長帯の光を透過する。ライトパイプは、基板の第二面と受光素子の受光面との間に配置される。ライトパイプは、光アンテナの出射端から出射された信号光を、受光素子の受光面に導光する。受光素子は、ライトパイプの出射面に受光面を向けて配置される。受光素子は、光アンテナから出射された信号光を受光面で受光する。
　本実施形態の受光装置は、光アンテナを構成する複数の導波管の出射端から出射される光を、ライトパイプによって、受光素子の受光面に導光する。そのため、本実施形態の受光装置によれば、高速な応答性を示す開口面積の小さな受光部を有する受光素子に信号光を受光させることができる。また、本実施形態の受光装置によれば、第１の実施形態と比べて、より多くの光量の光を受光素子の受光面に導光できる。また、本実施形態の受光装置では、光アンテナを構成する複数の導波管の数を、受光素子の受光面よりも面積の大きなライトパイプの入射面に対応付けて設定できる。そのため、本実施形態の受光装置によれば、一つの受光素子に対応付けられる導波管の数を、第１の実施形態と比べて増やすことができるため、空間光信号をより効率よく受光できる。
　（第５の実施形態）
　次に、第５の実施形態に係る受光装置について図面を参照しながら説明する。本実施形態の受光装置は、光アンテナを構成する複数の導波管を通過した光の位相をそろえる位相シフタが配置されている点において、第１の実施形態の受光装置とは異なる。本実施形態の受光装置は、第２～第４の実施形態の受光装置と組み合わせてもよい。
　（構成）
　図１８は、本実施形態の受光装置５０の構成の一例を示す平面図である。図１９は、図１８のＥ－Ｅ切断線で切断された受光装置５０の断面図である。図１９には、受光装置５０に入射する空間光信号と、受光装置５０の内部を進行する光との軌跡を矢印で概念的に示す。受光装置５０は、光アンテナ５１、基板５２、受光素子５３、位相シフタ５６、および導波路５７を備える。光アンテナ５１、位相シフタ５６、および導波路５７は、受光ユニットを構成する。図１８の受光装置５０は、六組の受光ユニットを含む。図１８には、基板５２の裏面（第二面）の位置に配置された受光素子５３の位置を点線で示す。
　光アンテナ５１は、基板５２の第一面に形成される。光アンテナ５１は、複数の導波管５１０を含む。同じ受光ユニットを構成する複数の導波管５１０の長さは、同じである。複数の導波管５１０は、円形の基板５２の中心に出射端を向けて、半径方向に沿って放射状に配置される。複数の導波管５１０の出射端は、位相シフタ５６の入力端に接続される。複数の導波管５１０の出射端から出射された光は、位相シフタ５６に入力される。光アンテナ５１は、第１の実施形態の光アンテナ１１と同様の構成である。
　基板５２の形状は、平面視で円形である。基板５２の第一面には、光アンテナ５１、位相シフタ５６、および導波路５７からなる受光ユニットが六組配置される。基板５２の第一面に対向する第二面には、受光素子５３が配置される。基板５２の材質は、第１の実施形態の基板１２と同様である。
　受光素子５３は、基板５２の第二面に配置される。受光素子５３は、円形の基板５２の中心に配置される。受光素子５３は、空間光信号の波長帯の光を受光する受光面を有する。受光素子５３は、基板５２を介して、その受光面が導波路５７の出射端と対面するように配置される。導波路５７の出射端から出射された光は、基板５２を透過して、受光素子５３の受光面で受光される。受光素子５３は、第１の実施形態の受光素子１３と同様の構成である。
　位相シフタ５６は、複数の光アンテナ５１の各々に対応付けられて、基板５２の第一面に配置される。位相シフタ５６の入力端には、複数の導波管５１０の出射端が接続される。位相シフタの出力端には、導波路５７の入力端が接続される。位相シフタ５６は、光アンテナ５１を構成する複数の導波管５１０で受光された信号光の位相が、受光素子５３の受光部において同じになるように、信号光の位相を調整する。すなわち、位相シフタ５６は、光アンテナに受光される空間光信号の位相ずれを補正するとともに、その空間光信号に由来する信号光の位相が受光素子５３の受光部の位置で揃うように、信号光の位相を調整する。
　例えば、位相シフタ５６は、図示しない制御部の制御に応じて、信号光の位相を調整するアクティブ型の位相シフタによって実現される。アクティブ型の位相シフタを用いれば、受光素子５３の受光部に信号光が入力する際の位相をそろえるとともに、光アンテナ５１によって受光される空間光信号の位相ずれを補正できる。アクティブ型の位相シフタを用いれば、光アンテナ５１によって受光された空間光信号に由来する信号光の位相を、受光素子５３の受光部に受光されるタイミングでそろえることによって、任意の方向から到来する空間光信号を受光できる。なお、空間光信号の到来方向が一定の方向に限定される場合、例えば、位相シフタ５６は、位相のシフト量が予め設定された、パッシブ型の位相シフタで実現することができる。パッシブ型の位相シフタ５６を通過した光は、予め設定されたシフト量だけ、位相がずれる。例えば、位相シフタ５６は、入力された光の屈折率を変化させることによって、信号光の位相を調整する。例えば、位相シフタ５６は、熱光学効果を利用した熱光学型や、キャリア注入効果を利用したキャリア注入型の位相シフタによって実現される。
　本実施形態においては、六組の受光ユニットの光アンテナ５１に入射された光の位相が、受光素子５３の受光面で受光される際に同じになるように、複数の位相シフタ５６の各々に位相のシフト量が調整される。例えば、位相シフタ５６の位相のシフト量は、受光対象の空間光信号の到来方向や、複数の導波管５１０の長さ、導波路５７の長さに応じて調整される。
　導波路５７は、複数の位相シフタ５６の各々に対応付けられて、基板５２の第一面に形成される。受光装置５０に含まれる導波路５７の長さは、全て同じである。導波路５７の入力端には、位相シフタ５６の出力端が接続される。導波路５７の出射端は、基板５２を挟んで、受光素子５３の受光面に向けて配置される。図１９の例では、導波路５７の出射端は、受光素子５３の受光面に向けて、斜めにカットされた形状を有する。導波路５７の出射端は、受光素子５３の受光面に向けて光を出射できれば、その形状に限定は加えない。導波路５７の入力端から入射された光は、導波路５７の内部を進行して出射端から出射される。導波路５７の材質は、空間光信号の波長帯の光の透過率が高ければ、特に限定を加えない。例えば、導波路５７は、シリコンフォトニクスの技術を用いて、基板５２の第一面に形成される。
　図２０は、受光対象の空間光信号の到来方向が一方向の場合における、空間光信号の軌跡の一例を示す概念図である。空間光信号の到来方向が一方向の場合、位相シフタ５６は、アクティブ型またはパッシブ型の位相シフタによって実現できる。図２０には、光アンテナ５１、位相シフタ５６、および導波路５７によって構成される受光ユニット５００が、基板５２の第一面に複数並んでいる様子を示す。複数の受光ユニット５００の各々に含まれる位相シフタ５６による位相のシフト量は、一方向から到来する空間光信号に由来する光の位相が、受光素子５３の受光面において同じになるように調整される。図１８の例では、空間光信号の到来方向に対する、光アンテナ５１の導波管５１０の向きが、受光ユニット５００ごとに異なる。そのため、複数の受光ユニット５００の各々に含まれる位相シフタ５６の位相のシフト量は、一方向から到来する空間光信号に由来する光の位相が、受光素子５３の受光面において同じになるように調整される。
　図２１は、受光対象の空間光信号の到来方向が多様な場合における、空間光信号の軌跡の一例を示す概念図である。空間光信号の到来方向が多様な場合、位相シフタ５６は、アクティブ型の位相シフタによって実現できる。図２１には、光アンテナ５１、位相シフタ５６、および導波路５７によって構成される受光ユニット５００が、基板５２の第一面に複数並んでいる様子を示す。複数の受光ユニット５００の各々に含まれる位相シフタ５６による位相のシフト量は、多様な方向から到来する空間光信号に由来する光の位相が、受光素子５３の受光面において同じになるように調整される。図１８の例では、空間光信号の到来方向に対する、光アンテナ５１の導波管５１０の向きが、受光ユニット５００ごとに異なる。そのため、複数の受光ユニット５００の各々に含まれる位相シフタ５６の位相のシフト量は、多様な方向から到来する空間光信号に由来する光の位相が、受光素子５３の受光面において同じになるように調整される。
　〔変形例９〕
　図２２は、本実施形態の受光装置５０の変形例９の受光装置５０－９の構成の一例を示す平面図である。基板５２の形状は、平面視で矩形である。受光装置５０－９は、一つの受光素子５３を備える。受光素子５３は、基板５２の第二面の中央の点線の円で示す位置に配置される。
　光アンテナ５１は、基板５２の第一面に形成される。光アンテナ５１を構成する複数の導波管５１０は、矩形の基板５２の二つの対向する長辺から、それらの長辺に対して垂直な方向に延伸される。図２２の例では、上側の導波管５１０は下方に向けて延伸され、下側の導波管５１０は上方に向けて延伸される。複数の導波管５１０の出射端は、位相シフタ５６の入力端に接続される。位相シフタ５６の出力端は、導波路５７の入力端に接続される。導波路５７の出射端は、基板５２を挟んで、受光素子５３の受光面に向けて配置される。受光装置５０－９に含まれる導波路５７の長さは、受光ユニットの位置に応じて異なる。受光素子５３に近い方の受光ユニットの導波路５７と比べて、受光素子５３から遠い方の受光ユニットの導波路５７の方が長い。そのため、位相シフタ５６は、受光ユニットの位置に応じたシフト量で光の位相をずらすように調整される。
　本変形例の場合、空間光信号の到来方向が一方向の場合、空間光信号の到来方向に対する複数の導波管５１０の向きは同じである。そのため、空間光信号の到来方向に合わせて、光の位相をずらさなくてもよい。しかしながら、基板５２における受光ユニットの位置に応じて、位相シフタ５６と受光素子５３の位置が異なるため、受光ユニットごとに導波路５７の長さが異なる。そのため、受光装置５０－９の位相シフタ５６の位相のシフト量は、基板５２における受光ユニットの位置に応じて調整される。なお、空間光信号の到来方向が多様な場合は、空間光信号の到来方向ごとに受光ユニットを割り当て、空間光信号の到来方向と、基板５２における受光ユニットの位置とに応じて、位相シフタ５６の位相のシフト量を調整すればよい。
　以上のように、本実施形態の受光装置は、光アンテナ、位相シフタ、導波管、基板、および受光素子を備える。光アンテナは、基板の第一面に形成される。光アンテナは、空間光信号を受光する。光アンテナは、空間光信号に由来する信号光を基板の面内方向に沿って出射端に導光する。光アンテナは、出射端から基板に向けて信号光を出射する。位相シフタは、光アンテナの出射端に接続される。位相シフタは、信号光の位相が受光素子の受光部の位置で揃うように、入力された信号光の位相を調整して出力端から出力する。導波路は、位相シフタの出力端に接続される。導波路には、位相シフタから出力された信号光が入力される。導波路は、入力された信号光を受光素子の受光面に向けて出射する。基板は、受光対象の空間光信号の波長帯の光を透過する。受光素子は、基板の第一面に対向する第二面に受光面を向けて配置される。受光素子は、光アンテナから出射された信号光を受光面で受光する。
　本実施形態によれば、複数の光アンテナによって受光された光の位相を、位相シフタを用いてそろえることができる。そのため、本実施形態によれば、空間光信号の到来方向に合わせて指向性を持たせることによって、任意の方向から到来する空間光信号を受光できる。また、本実施形態によれば、位相シフタによって位相を調整できるので、光アンテナごとに導波管を異なる長さにすることができる。そのため、本実施形態によれば、光アンテナの長さを多様にできるため、光アンテナの配置を工夫することによって、光アンテナの密度を増加させることができる。例えば、アクティブ型の位相シフタを用いれば、受光対象の空間光信号の位相からずれたノイズ光を、そのノイズ光とは逆位相の光を用いて打ち消すことも可能になる。
　（第６の実施形態）
　次に、第６の実施形態に係る受光装置について図面を参照しながら説明する。本実施形態の受光装置は、所定面内における任意の方向から到来する空間光信号を受光する点において、第１の実施形態の受光装置とは異なる。本実施形態の受光装置は、第２～第５の実施形態の受光装置と組み合わせてもよい。
　（構成）
　図２３は、本実施形態の受光装置６００の構成の一例を示す概念図である。図２３は、受光装置６００を斜め上方の視座から見た図である。受光装置６００は、複数の受光器６０を備える。複数の受光器６０は、円筒状の受光装置６００の側面に、受光面を外側に向けて配置される。すなわち、複数の受光器６０の各々を構成する複数の光アンテナは、特定の円の半径方向に受光面を向けて、特定の円の円周に沿って配置される。受光装置６００の上部と下部には、複数の受光器６０を支持するための支持体６８が配置される。支持体６８を透過する光による攪乱を防止するために、支持体６８は、受光対象の空間光信号の波長帯の光を透過しない方が好ましい。支持体６８については、複数の受光器６０を支持できれば、形状や材質などに限定を加えない。複数の受光器６０の各々は、第１～第５の実施形態の受光装置のうち少なくともいずれかの構成を有する。複数の受光器６０の各々は、全て同じ構成であってもよいし、異なる構成が組み合わされてもよい。複数の受光器６０の各々の詳細な構成については、説明を省略する。
　受光装置６００は、空間光信号に由来する光を受光する受光素子を備える。受光素子は、複数の受光器６０ごとに設けられてもよいし、複数の受光器６０に対して共通に設けられてもよい。複数の受光器６０に対して共通の受光素子が設けられる場合、それらの受光器６０によって受光された光を、その受光素子の受光面に導光する導光体を設ければよい。受光装置６００は、側方の全方位から到来する空間光信号をいずれかの受光器６０によって受光する。例えば、受光器６０の受光面の大きさがセンチメートルのオーダーで構成されれば、受光装置６００は、数十～百メートル程度離れた位置から送光された空間光信号を受光できる。複数の受光器６０の各々によって受光される空間光信号の到来方向は、一方向に限られる。そのため、複数の受光器６０には、アクティブ型のみならず、パッシブ型の位相シフタを用いることができる。受光装置６００を傾ければ、複数の受光器６０の受光面を所望の方向に向けることによって、受光装置６００の受光方向を変更できる。例えば、受光装置６００の傾きを機械的に制御できるように構成されれば、複数の受光器６０の受光面を所望の方向に向けることができる。
　以上のように、本実施形態の受光装置は、複数の光アンテナ、基板、および受光素子を備える。複数の光アンテナは、基板の第一面に形成される。複数の光アンテナは、特定の円の半径方向に受光面を向けて、特定の円の円周に沿って配置される。複数の光アンテナは、空間光信号を受光する。複数の光アンテナは、空間光信号に由来する信号光を基板の面内方向に沿って出射端に導光する。複数の光アンテナは、出射端から基板に向けて信号光を出射する。基板は、受光対象の空間光信号の波長帯の光を透過する。受光素子は、基板の第一面に対向する第二面に受光面を向けて配置される。受光素子は、複数の光アンテナから出射された信号光を受光面で受光する。
　本実施形態の受光装置によれば、集光レンズなどのレンズ系を用いなくても、複数の光アンテナによって、所定面内における全方位から到来する空間光信号を受光できる。本実施形態の受光装置は、集光レンズなどのレンズ系を含まないため、レンズ系を含む装置と比べて、サイズを小さくできる。
　（第７の実施形態）
　次に、第７の実施形態に係る受信装置について図面を参照しながら説明する。本実施形態の受信装置は、第１～第６の実施形態の受光装置のうち少なくともいずれかを備える。本実施形態の受信装置は、受光装置によって受光された空間光信号をデコードするデコーダを備える。
　（構成）
　図２４は、本実施形態の受信装置７００の構成の一例を示す概念図である。受信装置７００は、受光器７０およびデコーダ７８を備える。図２４は、受信装置７００の内部構成を横方向から見た図である。デコーダ７８の位置については、特に限定を加えない。デコーダ７８は、受信装置７００の内部に配置されてもよいし、受信装置７００の外部に配置されてもよい。
　受光器７０は、第１～第６の実施形態の受光装置のいずれかである。なお、第１～第６の実施形態の受光装置のうちいくつかを組み合わせて、受光器７０を構成してもよい。受光器７０は、受光された空間光信号に由来する光（信号光とも呼ぶ）を電気信号に変換する。受光器７０は、変換後の電気信号（以下、信号と呼ぶ）を、デコーダ７８に出力する。
　デコーダ７８は、受光器７０から出力された信号を取得する。デコーダ７８は、取得された信号を増幅する。デコーダ７８は、増幅された信号をデコードし、通信対象からの信号を解析する。デコーダ７８によってデコードされた信号は、任意の用途に使用される。デコーダ７８によってデコードされた信号の用途については、特に限定を加えない。
　例えば、デコーダ７８は、図示しない第１処理回路および第２処理回路を含む。第１処理回路は、受光器７０からの信号を取得する。第１処理回路は、取得した信号のうち、太陽光などの環境光に由来する信号をカットし、空間光信号の波長帯に相当する高周波成分の信号を選択的に通過させる。例えば、第１処理回路は、空間光信号の波長帯の信号を選択的に通過させてもよい。第１処理回路は、選択された信号を増幅する。第１処理回路は、増幅された信号を第２処理回路に出力する。第２処理回路は、第１処理回路から信号を取得する。第２処理回路は、取得された信号をデコードする。第２処理回路は、デコードされた信号に何らかの信号処理を加えるように構成してもよいし、外部の信号処理装置等（図示しない）に出力するように構成したりしてもよい。複数の通信対象からの空間光信号に由来する複数の信号をデコードする場合、第２処理回路がそれらの信号を時分割で読み取るように構成されればよい。
　以上のように、本実施形態の受信装置は、第１～第６の実施形態のいずれかの受光装置と、デコーダとを備える。デコーダは、受光装置によって受光された空間光信号に基づく信号をデコードする。本実施形態の受信装置によれば、空間光信号に基づく信号をデコードできる。例えば、本実施形態によれば、シングルチャンネルの受信装置を実現できる。例えば、本実施形態によれば、空間光信号に基づく信号を時分割でデコードすることによって、マルチチャンネルの受信装置を実現することもできる。
　（第８の実施形態）
　次に、第８の実施形態に係る受光装置について図面を参照しながら説明する。本実施形態の受光装置は、第１～第６の実施形態の受光装置を簡略化した構成である。図２５は、本実施形態の受光装置８０の構成の一例を示す概念図である。図２６は、図２５のＨ－Ｈ切断線で切断された受光装置８０の断面図である。
　受光装置８０は、光アンテナ８１、基板８２、および受光素子８３を備える。光アンテナ８１は、基板８２の第一面に形成される。光アンテナ８１は、空間光信号を受光する。光アンテナ８１は、空間光信号に由来する信号光を基板８２の面内方向に沿って出射端に導光する。光アンテナ８１は、出射端から基板８２に向けて信号光を出射する。基板８２は、受光対象の空間光信号の波長帯の光を透過する。受光素子８３は、基板８２の第一面に対向する第二面に受光面を向けて配置される。受光素子８３は、光アンテナ８１から出射された信号光を受光面で受光する。
　本実施形態の受光装置は、高速な応答性を得ることができる開口面積の小さな受光部を有する受光素子に、空間光信号に由来する信号光を効率よく導光できる。そのため、本実施形態の受光装置によれば、空間光信号を効率よく受光できる。
　この出願は、２０２１年１月６日に出願された日本出願特願２０２１－０００６３６を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
　１０、２０、３０、４０、５０、８０　　受光装置
　１１、２１、３１、４１、５１、８１　　光アンテナ
　１２、２２、３２、４２、５２、８２　　基板
　１３、２３、３３、４３、５３、８３　　受光素子
　３４　　反射鏡
　４５　　ライトパイプ
　５６　　位相シフタ
　５７　　導波路
　６０　　受光器
　６８　　支持体
　７０　　受光器
　７８　　デコーダ
　１１０、２１０、３１０、４１０、５１０、８１０　　導波管
　５００　　受光ユニット
　６００　　受光装置
　７００　　受信装置

Claims (10)

  1. 　受光対象の空間光信号の波長帯の光を透過する基板と、
    　前記基板の第一面に配置され、前記空間光信号を受光し、前記空間光信号に由来する信号光を前記基板の面内方向に沿って出射端に導光し、前記出射端から前記基板に向けて前記信号光を出射する光アンテナと、
    　前記基板の前記第一面に対向する第二面に受光面を向けて配置され、前記光アンテナから出射された前記信号光を前記受光面で受光する受光素子と、を備える受光装置。
  2. 　前記基板の前記第一面に、前記基板を挟んで、前記受光素子の前記受光面に向けて前記出射端が配置された複数の前記光アンテナを備える請求項１に記載の受光装置。
  3. 　前記光アンテナは、
    　前記空間光信号を受光する受光部と、前記空間光信号に由来する前記信号光が導光される導光路と、前記導光路を通じて導光された前記信号光が出射される前記出射端とを含む複数の導波管によって構成され、
    　前記複数の導波管の前記出射端は、
    　前記基板を挟んで、前記受光素子の前記受光面に向けて配置される請求項１または２に記載の受光装置。
  4. 　前記光アンテナは、
    　導波回折アンテナである請求項１乃至３のいずれか一項に記載の受光装置。
  5. 　前記基板は、前記第二面にトレンチが形成され、
    　前記受光素子は、前記受光面を前記基板に向けて、前記トレンチの位置に配置される請求項１乃至４のいずれか一項に記載の受光装置。
  6. 　前記光アンテナの前記出射端とは反対側の端部に配置され、前記出射端に向けて前記信号光を反射する反射鏡を備える請求項１乃至５のいずれか一項に記載の受光装置。
  7. 　前記基板の前記第二面と前記受光素子の前記受光面との間に配置され、前記光アンテナの前記出射端から出射された前記信号光を、前記受光素子の前記受光面に導光するライトパイプを備える請求項１乃至６のいずれか一項に記載の受光装置。
  8. 　前記光アンテナの前記出射端に接続され、前記信号光の位相が前記受光素子の前記受光面の位置で揃うように、入力された前記信号光の位相を調整して出力端から出力する位相シフタと、
    　前記位相シフタの前記出力端に接続され、前記位相シフタから出力された前記信号光が入力され、入力された前記信号光を前記受光素子の前記受光面に向けて出射する導波路と、を備える請求項１乃至７のいずれか一項に記載の受光装置。
  9. 　複数の前記光アンテナが、特定の円の半径方向に前記受光面を向けて、前記特定の円の円周に沿って配置された請求項１乃至８のいずれか一項に記載の受光装置。
  10. 　請求項１乃至９のいずれか一項に記載の受光装置と、
    　前記受光装置によって受光された空間光信号に基づく信号をデコードするデコーダと、を備える受信装置。
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